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Modellierte Nährstoffemissionen, -frachten und -konzentrationen in Flusseinzugsgebieten der deutschen Nord- und Ostsee um 1880 (Datensatz)

Das Modell MoRE wurde auf die Jahre um 1880 angewandt, um die mittleren historischen Emissionen, Frachten und Konzentrationen von Stickstoff und Phosphor für Flusseinzugsgebiete, die in die deutsche Nord- und Ostsee einleiten, zu quantifizieren. Die historische Wasserbilanz wurde mit dem Modell LARSIM-ME abgeleitet und in MoRE integriert. Die Modellergebnisse ergänzen die historischen Modellergebnisse, die den bestehenden deutschen Zielkonzentrationen für Stickstoff am so genannten Übergabepunkt limnisch-marin und Schwellenwerten für den guten ökologischen Zustand der Küsten- und Meeresgewässer zugrunde liegen. Die Datensatzdatei enthält die Geometrie der 3048 Modellierungseinheiten in den Einzugsgebieten von Nord- und Ostsee (mit Ausnahme des Stettiner Haffs und des Einzugsgebiets der oberen Donau) und eine lange Datentabelle mit den Modelloutputs und ausgewählten Inputdaten (47 Variablen, Spalten durch Tabstopps getrennt).

Maßnahmen zur Minderung direkt und indirekt klimawirksamer Emissionen, die durch Denitrifikation in landwirtschaftlich genutzten Böden verursacht werden

Das Verbundvorhaben adressiert die Themen der Minderung der Lachgasemission und Verbesserung der Stickstoffeffizienz durch Modellierung, der Bewertung möglicher Minderungsmaßnahmen und der standortdifferenzierenden Bewertung der Denitrifikation. Gasförmige Emissionen aus der Denitrifikation verursachen pflanzenbaulich relevante N-Verluste und verursachen direkte N2O-Emissionen des Pflanzenbaus. Pflanzenbauliche Klimaschutzmaßnahmen im Bereich der Düngung, Bodenbearbeitung, Fruchtfolge sind im Hinblick auf die Rolle der Denitrifikation kaum erforscht. Ein pflanzenbauliches Management welches N-Effizienz optimiert und gleichzeitig N-Emissionen minimiert ist daher bisher nicht verlässlich definiert. Übergeordnetes Ziel des vorliegenden Antrags ist es, pflanzenbaulich praktikable Minderungsmaßnahmen im Hinblick auf N2 und N2O-Emissionen der Denitrifikation für Ackerbausysteme in Deutschland zu identifizieren, indem der Kenntnisstand zu denitrifikativen N-Verlusten durch Feld- und Laborstudien verbessert und zur Parametrisierung, Validierung und Anwendung von Simulationsmodellen eingesetzt wird. Unsere Teilziele sind wie folgt: 1. Regionalisierung der N-Verluste durch Denitrifikation in Deutschland auf Basis vorhandener Modelle 2. Bestimmung der Wirkung von pflanzenbaulichen Klimaschutzmaßnahmen auf N2- und N2O-Verluste 3. Prüfung von Minderungsoptionen auf der Modell-, Labor- und Feldskala unter Berücksichtigung des Oberbodens und des durchwurzelten Unterbodens für verschiedene Böden 4. Weiterentwicklung von Denitrifikationsmodellen, um die Abbildung von Minderungsmaßnahmen zu verbessern anhand vorhandener und neuer Messdaten 5. Prüfung der Minderungsoptionen für Deutschland anhand der verbesserten Modelle unter Berücksichtigung von Ertrag, Wirtschaftlichkeit, Technologiebedarf, N2O-Emission, N-Effizienz, Düngerbedarf, NH3-Emisissionen und Nitratauswaschung.

Reaktive Halogene in einer simulierten Vulkanfahne

Vulkanische Gasemissionen sind bedeutsam für die lokale sowie globale Atmosphärenchemie. Die Entdeckung der Halogenchemie in Vulkanfahnen brachte neue Erkenntnisse über die Dynamik von Vulkanen und gibt möglicherweise Aufschluss über deren Eruptionspotential. Mehrere Feldmessungen führten zu großen Erfolgen in der Erforschung von reaktiven Halogenspezies (z. B. BrO, OClO, ClO). Jedoch ergaben sich auch viele Unklarheiten über die zugrundeliegenden Mechanismen und Umweltparameter wie Spurengas- und Aerosolzusammensetzung der Vulkanfahne, relative Feuchte oder der Bedeutung von potentieller NOX Emission. Der Einfluss sowie die Bedeutung dieser Parameter bezüglich der Halogenaktivierung (Umwandlung von Halogeniden in reaktive Halogenspezies (RHS)) ist essentiell für die Interpretation der Messdaten, um, z.B. (1) Rückschlüsse über die magmatischen Prozesse zu ziehen und Vorhersagen über Eruptionen mithilfe des Verhältnisses BrO zu SO2 zu machen, oder (2) den Einfluss auf die Zerstörung von Ozon, die Oxidation von Quecksilber oder die Verringerung der Lebensdauer von Methan in der Atmosphäre zu quantifizieren. Dieses Projekt soll dazu dienen, anhand eines vereinfachten Modells einer Vulkanfahne (SiO2 und Schwefelaerosole, H2O, CO2, SO2, HCl, HBr) unter kontrollierten Bedingungen die vulkanische Halogenchemie besser zu verstehen. Dazu soll in einer aus Teflon bestehenden Atmosphärensimulationskammer an der Universität Bayreuth Messungen durchgeführt werden. Die zur Messung der kritischen Parameter benötigten Instrumente können leicht in das Kammersystem integriert werden. RHS (BrO, ClO, OClO) werden mittels eines White Systems (Multi-Reflektionszelle) und Cavity Enhanced-DOAS nachgewiesen. Zum Nachweis anderer Halogenspezies (Br2, Cl2, HOBr und BrCl) wird FAPA-MS (Flowing Atmospheric-Pressure Afterglow Mass Spectrometry) verwendet. SO2, CO2, NOX und O3 werden mittels standardisierter Gasanalysatoren gemessen. Die Analyse der Zusammensetzung von Aerosolen insbesondere deren aufgenommene Menge an Halogenen wird durch Filterproben sowie Ionenchromatographie und SEM-EDX (Scanning Electron Microscope - Energy Dispersive X-ray Detector) gewährleistet. Die Kombination der verschiedenen Messtechniken ermöglicht die Erforschung von bisher schlecht Verstandenen heterogenen Reaktionen, welche höchstwahrscheinlich die Halogenaktivierung beeinflussen. Insbesondere die Einflüsse von (1) NOX und O3, (2) Ausgangsverhältnis HCl zu HBr, (3) relative Feuchte sowie (4) die Zusammensetzung der Vulkanaschepartikel (in Hinblick auf komplexere, reale Vulkanasche) auf die RHS Chemie, insbesondere des Mechanismus der sog. 'Brom-Explosion', werden innerhalb des vorgeschlagenen Projektes untersucht. Die Messergebnisse werden, gestützt durch das Chemie Box Modell CAABA/MECCA, in einem größeren Kontext interpretiert und werden helfen die natürlichen Vulkanprozesse besser zu verstehen.

Überschreitung der Belastungsgrenzen für Eutrophierung

<p>Nährstoffeinträge (vor allem Stickstoff) aus der Luft belasten Land-Ökosysteme und gefährden die biologische Vielfalt. Zur Bewertung dieser Belastung stellt man ökosystemspezifische Belastungsgrenzen (Critical Loads) den aktuellen Stoffeinträgen aus der Luft gegenüber. Trotz rückläufiger Stickstoffbelastungen in Deutschland besteht weiterhin Handlungsbedarf – vor allem bei den Ammoniak-Emissionen.</p><p>Situation in Deutschland</p><p>Im Jahr 2019 (letzte verfügbare Daten) wurden die ökologischen Belastungsgrenzen für ⁠<a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/e?tag=Eutrophierung#alphabar">Eutrophierung</a>⁠ durch Stickstoff in Deutschland auf 69 % der Flächen empfindlicher Ökosysteme überschritten (siehe Karte „Überschreitung des Critical Load für Eutrophierung durch die Stickstoffeinträge im Jahr 2019“). Die zur Flächenstatistik dieser Überschreitung herangezogenen Ökosystemtypen stammen aus dem CORINE-Landbedeckungsdatensatz von 2012 und bilden vor allem Waldökosysteme ab (ca. 96 %). Besonders drastisch sind die Überschreitungen in Teilen Nordwestdeutschlands. Aufgrund der dort ansässigen Landwirtschaft und intensiv betriebenen Tierhaltung ist der Stickstoffeintrag dort besonders hoch. So sind etwa zwei Drittel der Stickstoffeinträge auf Ammoniakemissionen zurückzuführen.</p><p>Im Rahmen eines ⁠<a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/u?tag=UBA#alphabar">UBA</a>⁠-Vorhabens zur Modellierung der Stickstoffdeposition (PINETI-4, Abschlussbericht in prep.) konnte die Entwicklung der Belastung methodisch konsistent für eine lange Zeitreihe (2000 bis 2019) rückgerechnet werden. Die nationalen Zeitreihendaten zeigen, dass der Anteil der Flächen in Deutschland, auf denen die ökologischen Belastungsgrenzen überschritten wurden, von 84 % im Jahr 2000 auf 69 % im Jahr 2019 zurückging (siehe Abb. „Anteil der Fläche empfindlicher Land-Ökosysteme mit Überschreitung der Belastungsgrenzen für Eutrophierung“). Die Abnahme der Belastungen spiegelt größtenteils den Rückgang der Emissionen durch Luftreinhaltemaßnahmen wider.</p><p>Handlungsbedarf trotz sinkender Stickstoffeinträge</p><p>Auch in den nächsten Jahren ist wegen der bisher nur unwesentlich abnehmenden<a href="https://www.umweltbundesamt.de/daten/luft/luftschadstoff-emissionen-in-deutschland/ammoniak-emissionen">Ammoniak-Emissionen</a>– vornehmlich aus der Tierhaltung – mit einer weiträumigen ⁠<a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/e?tag=Eutrophierung#alphabar">Eutrophierung</a>⁠ naturnaher Ökosysteme zu rechnen. Bei der Minderung von diffusen Stickstoffemissionen in die Luft besteht daher erheblicher Handlungsbedarf.</p><p>Was sind ökologische Belastungsgrenzen für Eutrophierung?</p><p>Zur Bewertung der Stoffeinträge werden ökologische Belastungsgrenzen (⁠<a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/c?tag=Critical_Loads#alphabar">Critical Loads</a>⁠) ermittelt. Nach heutigem Stand des Wissens ist bei deren Einhaltung nicht mit schädlichen Wirkungen auf Struktur und Funktion eines Ökosystems zu rechnen. ⁠<a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/%C3%B6?tag=kologische_Belastungsgrenzen#alphabar">Ökologische Belastungsgrenzen</a>⁠ sind somit ein Maß für die Empfindlichkeit eines Ökosystems und erlauben eine räumlich differenzierte Gegenüberstellung der Belastbarkeit eines Ökosystems mit aktuellen atmosphärischen Stoffeinträgen.</p><p>Das dadurch angezeigte Risiko bedeutet nicht, dass in dem betrachteten Jahr tatsächlich schädliche chemische Kennwerte erreicht oder biologische Wirkungen sichtbar sind. Es kann Jahrzehnte dauern, bis Ökosysteme auf Überschreitungen der ökologischen Belastungsgrenzen reagieren. Im Rückschluss ist auch die Erholung des Ökosystems auf vorindustrielles Niveau sehr langwierig, wenn nicht sogar eine irreversible Schädigung des Ökosystems vorliegt. Beide Prozesse sind abhängig von Stoffeintragsraten, meteorologischen und anderen Randbedingungen sowie von chemischen Ökosystemeigenschaften. Daher sind absolute Schadprognosen mittels der Überschreitungen der ökologischen Belastungsgrenzen prinzipiell nicht möglich.</p><p>Stickstoffdepositionen – ein Treiber des Biodiversitätsverlusts</p><p>Ein übermäßiger atmosphärischer Eintrag (⁠<a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/d?tag=Deposition#alphabar">Deposition</a>⁠) von Nährstoffen (vor allem Stickstoff) und deren Anreicherung in Land-Ökosystemen kann auf lange Sicht Ökosysteme stark beeinträchtigen. So kann es zu chronischen Schäden der Ökosystemfunktionen (wie der Primärproduktivität und des Stickstoffkreislaufs) kommen. Auch Veränderungen des Pflanzenwachstums und der Artenzusammensetzung zugunsten stickstoffliebender Arten (⁠<a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/e?tag=Eutrophierung#alphabar">Eutrophierung</a>⁠) können hervorrufen werden. Außerdem wird die Anfälligkeit vieler Pflanzen gegenüber Frost, ⁠<a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/d?tag=Drre#alphabar">Dürre</a>⁠ und Schädlingsbefall erhöht.</p><p>Atmosphärische Einträge führen zu einer weiträumigen Angleichung der Stickstoffkonzentrationen im Boden auf einem nährstoffreichen Niveau. Die derzeit hohen Stickstoffeinträge in natürliche und naturnahe Land-Ökosysteme sind eine Folge menschlicher Aktivitäten, wie Landwirtschaft oder Verbrennungsprozesse. Diese sind mit hohen Emissionen von chemisch und biologisch wirksamen (reaktiven) Stickstoffverbindungen in die Luft verbunden. Aus der ⁠<a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/a?tag=Atmosphre#alphabar">Atmosphäre</a>⁠ werden diese Stickstoffverbindungen über Regen, Schnee, Nebel, Raureif, Gase und trockene Partikel wieder in Land-Ökosysteme eingetragen. Die resultierende Überdüngung ist eine der Hauptursachen für den Rückgang der ⁠<a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/b?tag=Biodiversitt#alphabar">Biodiversität</a>⁠. Fast die Hälfte der in der Roten Liste für Deutschland aufgeführten Farn- und Blütenpflanzen sind durch Stickstoffeinträge gefährdet.</p><p>Ziele und Maßnahmen zur Verringerung der Stickstoffeinträge</p><p>Ein langfristiges Ziel der Europäischen Union (EU) und der Genfer Luftreinhaltekonvention (⁠<a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/u?tag=UNECE#alphabar">UNECE</a>⁠ Convention on Long-Range Transboundary Air Pollution, CLRTAP) ist die dauerhafte und vollständige Unterschreitung der ökologischen Belastungsgrenzen für ⁠<a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/e?tag=Eutrophierung#alphabar">Eutrophierung</a>⁠. International wurden deshalb in der sog. neuen ⁠<a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/n?tag=NEC-Richtlinie#alphabar">NEC-Richtlinie</a>⁠ (<a href="https://eur-lex.europa.eu/legal-content/DE/TXT/?qid=1542011736987&amp;uri=CELEX:32016L2284">Richtlinie (EU) 2016/2284</a>vom 14.12.2016) für alle Mitgliedstaaten weitere Minderungen der ⁠<a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/e?tag=Emission#alphabar">Emission</a>⁠ von reaktiven Stickstoffverbindungen (NHx, Stickstoffoxide (NOx)) vereinbart, die bis 2030 erreicht werden müssen. Für Deutschland ergeben sich folgende nationale Emissionsminderungsverpflichtungen für Stickstoff für das Jahr 2030 und darüber hinaus im Vergleich zum Basisjahr 2005:</p><p>(siehe auch<a href="https://www.umweltbundesamt.de/themen/luft/emissionen-von-luftschadstoffen">„Emissionen von Luftschadstoffen“</a>).<br>Konkrete nationale Maßnahmen, die zum Erreichen der oben genannten Minderungsverpflichtungen geeignet sind, werden derzeit in einem Nationalen Luftreinhalteprogramm zusammengestellt. Maßnahmen zur Begrenzung der negativen Auswirkungen des reaktiven Stickstoffs, zu denen auch die Eutrophierung von Ökosystemen zählt, sind in der Veröffentlichung des Umweltbundesamtes"Reaktiver Stickstoff in Deutschland"enthalten. Auch das Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (⁠BMU⁠) verfolgt den Ansatz einer nationalenStickstoffminderungsstrategie. Weitere Informationen bietet auch das Sondergutachten des SRU„Stickstoff: Lösungen für ein drängendes Umweltproblem“. Hintergrundwissen zur Modellierung von atmosphärischen Stoffeinträgen bietet derBerichtzum Forschungsvorhaben „PINETI-4: Modelling and assessment of acidifying and eutrophying atmospheric deposition to terrestrial ecosystems“.

Überschreitung der Belastungsgrenzen für Versauerung

<p>Die versauernden Schwefel- und Stickstoffeinträge aus der Luft in Land-Ökosysteme haben in den letzten Jahren stark abgenommen. Zur Bewertung dieser Belastung stellt man ökosystemspezifische Belastungsgrenzen (Critical Loads) den aktuellen Stoffeinträgen aus der Luft gegenüber. Ammoniumstickstoffeinträge aus der Landwirtschaft sind mittlerweile die Hauptursache für Versauerung.</p><p>Situation in Deutschland 2019</p><p>Der Anteil der Flächen, auf denen die kritischen Eintragsraten für ⁠<a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/v?tag=Versauerung#alphabar">Versauerung</a>⁠ deutlich bis sehr deutlich überschritten wurden, nahm zwischen 2005 und 2019 von 58 auf 26 % ab. Die Abnahme der Belastungen spiegelt den Rückgang der Emissionen in Folge von Luftreinhaltemaßnahmen wider (siehe Abb. „Flächenanteile mit Überschreitung der Belastungsgrenzen für Versauerung“). Besonders Einträge versauernder Schwefelverbindungen haben deutlich abgenommen. Für versauernde Stickstoffeinträge ist eine so deutliche Abnahme hingegen nicht zu verzeichnen. Sie sind hauptverantwortlich für die andauernden Überschreitungen der ökologischen Belastungsgrenzen (⁠<a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/c?tag=Critical_Loads#alphabar">Critical Loads</a>⁠) für Versauerung in Deutschland (siehe Karte „Überschreitung des Critical Load für Versauerung durch Schwefel- und Stickstoffeinträge im Jahr 2019“).</p><p>Bis Mitte der 1990er Jahre waren die Einträge versauernder Stoffe und die Überschreitungen der ökologischen Belastungsgrenzen in verursachernahen Waldgebieten Thüringens und Sachsens am höchsten. Inzwischen werden die Extremwerte im norddeutschen Tiefland auf empfindlichen Böden als Folge hoher Einträge von Ammoniumstickstoff aus landwirtschaftlichen Quellen, vor allem aus der Intensivtierhaltung, erreicht. In diesen Regionen werden auch die ökologischen Belastungsgrenzen für ⁠<a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/e?tag=Eutrophierung#alphabar">Eutrophierung</a>⁠ am stärksten überschritten.</p><p>Im Rahmen eines ⁠<a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/u?tag=UBA#alphabar">UBA</a>⁠-Vorhabens zur Modellierung der Stickstoffablagerung (PINETI-4, Abschlussbericht in prep.) konnte die Entwicklung der Belastung methodisch konsistent für eine lange Zeitreihe (2000-2019) rückgerechnet werden.</p><p>Was sind ökologische Belastungsgrenzen für Versauerung?</p><p>⁠<a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/%C3%B6?tag=kologische_Belastungsgrenzen#alphabar">Ökologische Belastungsgrenzen</a>⁠ (⁠<a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/c?tag=Critical_Loads#alphabar">Critical Loads</a>⁠) für ⁠<a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/v?tag=Versauerung#alphabar">Versauerung</a>⁠ sind kritische Belastungsraten für luftgetragene Stickstoff- und Schwefeleinträge. Nach heutigem Stand des Wissens ist bei deren Einhaltung nicht mit schädlichen Wirkungen auf Struktur und Funktion eines Ökosystems zu rechnen. Betrachtet werden meist empfindliche Ökosysteme wie Wälder, Heiden, Moore und angrenzende Systeme (zum Beispiel Oberflächengewässer und Grundwasser). Ökologische Belastungsgrenzen sind somit ein Maß für die Empfindlichkeit eines Ökosystems und erlauben eine räumlich differenzierte Gegenüberstellung der Belastbarkeit eines Ökosystems mit aktuellen Luftschadstoffeinträgen.</p><p>Das dadurch angezeigte Risiko bedeutet nicht, dass in dem betrachteten Jahr tatsächlich schädliche chemische Kennwerte erreicht oder biologische Wirkungen sichtbar sind. Es kann Jahrzehnte dauern, bis Ökosysteme auf Überschreitungen der ökologischen Belastungsgrenzen reagieren. Dies ist abhängig von Stoffeintragsraten, meteorologischen und anderen Randbedingungen sowie (bio)chemischen Ökosystemeigenschaften.</p><p>Folgen der Versauerung</p><p>Die Einträge versauernd wirkender Schwefel- und Stickstoffverbindungen aus der Luft führen bei Überschreitung der Pufferkapazität des Bodens zu einer Auswaschung basischer Kationen (Calcium, Magnesium, Kalium und Natrium) und zu Nährstoffungleichgewichten. Hierdurch verändern sie neben anderen chemischen Parametern auch die Nährstoffverfügbarkeit im Boden. Zusätzlich werden Bodenorganismen und die Bodenstruktur negativ beeinflusst. Ein lange anhaltender Säurestress führt über unausgewogene Ernährung zur Minderung der Vitalität von Pflanzen. Dies kann unter anderem zu einer Verschiebung der Artenzusammensetzung oder zu eingeschränkten Abwehrkräften gegenüber sekundären Stressfaktoren (zum Beispiel ⁠<a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/d?tag=Drre#alphabar">Dürre</a>⁠, Frost, Herbivorie) führen. Viele Ökosystemfunktionen können dann nur noch eingeschränkt erfüllt werden.</p><p>Die atmosphärischen Einträge führen weiterhin zu einer weiträumigen Angleichung der Bodenverhältnisse auf einem ungünstigen, versauerten Niveau. Die ⁠<a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/v?tag=Versauerung#alphabar">Versauerung</a>⁠ der Böden kann wiederum die Artenzusammensetzung von Pflanzengesellschaften verändern: Auf neutrale Bodenverhältnisse angewiesene Pflanzenarten und Pflanzengesellschaften werden von im sauren Milieu konkurrenzstärkeren Arten und Gesellschaften verdrängt. Da viele Tierarten auf bestimmte Pflanzenarten spezialisiert sind, wird durch die Versauerung auch die ⁠<a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/f?tag=Fauna#alphabar">Fauna</a>⁠ beeinflusst: indirekt (über Verschiebung der Pflanzenartenzusammensetzung) und direkt (durch das geänderte Milieu; beispielsweise können Regenwürmer in versauerten Böden mit pH unter 4 nicht mehr existieren).</p><p>Strategien zur Emissionsminderung</p><p>Der möglichst umfassende und langfristige Schutz der Ökosysteme vor ⁠<a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/v?tag=Versauerung#alphabar">Versauerung</a>⁠ ist weiterhin ein wichtiges politisches Ziel. International wurden deshalb in der sogenannten neuen ⁠<a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/n?tag=NEC-Richtlinie#alphabar">NEC-Richtlinie</a>⁠ (<a href="https://eur-lex.europa.eu/legal-content/DE/TXT/?qid=1542011736987&amp;uri=CELEX:32016L2284">Richtlinie (EU) 2016/2284</a>vom 14.12.2016) für alle Mitgliedstaaten weitere Minderungsverpflichtungen der ⁠<a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/e?tag=Emission#alphabar">Emission</a>⁠ von Schwefel- und Stickstoff (SO2, NHx, NOx) vereinbart, die bis 2030 erreicht werden müssen. Für Deutschland ergeben sich folgende nationale Reduktionsziele für das Jahr 2030 und darüber hinaus im Vergleich zum Basisjahr 2005:<br>•&nbsp;&nbsp;&nbsp; Ammoniak (NH3): minus 29 %•&nbsp;&nbsp;&nbsp; Stickstoffoxide (NOx): minus 65 %•&nbsp;&nbsp;&nbsp; Schwefeldioxid (SO2): minus 58 %(siehe auch„Emissionen von Luftschadstoffen“).Konkrete nationale Maßnahmen, zur Erreichung der oben genannten Ziele werden derzeit in einem Nationalen Luftreinhalteprogramm zusammengestellt. Maßnahmen zur Minderung der negativen Auswirkungen von reaktivem Stickstoff, zu denen auch die Versauerung von Ökosystemen zählt, sind in der Veröffentlichung des Umweltbundesamtes"Stickstoff - Element mit Wirkung"enthalten. Auch das Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (⁠BMU⁠) verfolgt den Ansatz einer nationalenStickstoffminderungsstrategie. Weitere Informationen bietet auch das Sondergutachten des SRU"Stickstoff: Lösungen für ein drängendes Umweltproblem". Hintergrundwissen zur Modellierung von atmosphärischen Stoffeinträgen bietet derBerichtzum Forschungsvorhaben „PINETI-4: Modelling and assessment of acidifying and eutrophying atmospheric deposition to terrestrial ecosystems“.

Standortdifferenzierte Modellierung der N-Dynamiken zur Verringerung der gasförmigen N-Emissionen und weiterer N-Verluste im Pflanzenbau

Die Antragsteller sind durch erfolgreiche, jahrelange Forschungsarbeit Experten für das Thema N-Kreislauf, N-Verluste und Modellierung und möchten die vorhandene Kompetenz sowie schon vorhandene eigene Versuchsdaten und -ergebnisse verwenden, um den N-Kreislauf einschließlich der N-Emissionen zu simulieren. Hierfür werden wir ausgewählte Varianten von fünf Feldversuchen untersuchen, für die schon für Zeiträume zwischen vier und 116 Jahren relevante Daten z.B. zur N-Aufnahme, Gehalte des organischen Kohlenstoffs und des Gesamtstickstoffs, oder Klimagasmessungen zur Verfügung stehen. Die Versuche wurden an unterschiedlichen Standorten in ganz Deutschland angelegt und decken verschiedenste Bodencharakteristika und Klimata ab. Durch die Verwendung schon vorhandener Daten und die erweiterte eigene Beprobung kann ein viele Jahrzehnte umfassender Datensatz (Pflanze x Management x Umwelt-Interaktionen) an verschiedenen Standorten modellbasiert und damit kostengünstig ausgewertet werden. In dem vorgestellten Projekt soll die prozessbasierte dynamische open-source-Modellplattform SIMPLACE eingesetzt werden. SIMPLACE berechnet u.a. den täglichen Nährstoffumsatz im Boden, den Nitrataustrag, die N2O-Emissionen abhängig von den Bodencharakteristika sowie das Pflanzenwachstum. Die Ziele des vorgestellten Projekts sind 1) den C-/N-Kreislauf und die Verluste besser zu verstehen, 2) die vielen Daten der unterschiedlichen Standorte zu verwenden, um das Modell robust zu kalibrieren und validieren, 3) Managementszenarien (Fruchtfolgen, Zwischenfrüchte, organische und anorganische Düngung) und deren Auswirkungen auf N-Verluste zu messen und zu simulieren, um die Wirksamkeit von Maßnahmen standortdifferenziert und unter verschiedenen Wetterbedingungen zu quantifizieren, sowie 4) Emissionsminderungspotentiale unterschiedlicher Bodenmanagementstrategien aufzuzeigen, um modellgestützte deutschlandweite Handlungsempfehlungen für ein klimaschonendes Stickstoffmanagement zu ermöglichen.

Modellprojekt Moorklimaschutz an der Ostseeküste, TP 1: Reduktion von Stickstoffemissionen aus Küstenmooren

Pilotanwendungen und DSS

Das übergeordnete Ziel des Kooperationsprojektes APP4farm ist die Definition einer IKT-Infrastruktur (Informations- und Kommunikationstechnologien), die es den Landwirten ermöglicht, Stickstoffverluste umfassend zu überwachen. Dazu gehört die Entwicklung und Einsatzkalibrierung von Sensoren zur Schätzung von Stickstoffemissionen aus dem Ackerboden. Außerdem soll ein Entscheidungshilfesystem für die intelligente Landwirtschaft auf der Grundlage von maschinellem Lernen und künstlicher Intelligenz implementiert werden, das ein effizientes Management von Stickstoffdünger in der Landwirtschaft auf der Grundlage einer räumlich und zeitlich umfassenden Überwachung und Vorhersage der wichtigsten Prozessvariablen ermöglichen wird. Das Deutsche GeoForschungsZentrum (GFZ) wird im Kooperationsverbund als Projekt SMART-DSS die neu entwickelten Sensoren und deren Integration mit anderen verfügbaren Sensoren an Pilotstandorten testen und erproben. Darüber hinaus wird das GFZ auch aktiv zur Entwicklung von DSS unter Verwendung von Algorithmen des maschinellen Lernens beitragen. An der Verbreitung der Projektergebnisse ist das GFZ beteiligt über seine etablierte Transfer-Struktur FERN.Lab, über die bereits aktuell Wissen und Erfahrungen der Nutzung von Fernerkundung im landwirtschaftlichen Kontext mit den wichtigsten Interessengruppen geteilt wird.

Soil water controls on nitrogen oxide fluxes and N2O production and consumption along a rainfall gradient of tropical forests

Monitoring von Stickstoffemissionen im Pflanzenbau

Ziel des Demonstrationsprojekts ist es, ein Konzept zur frühzeitigen und systematischen Messung und Vorhersage der Nitratbelastung auf landwirtschaftlichen Standorten der Marktkulturproduktion, Futtermittelproduktion und Tierproduktion unter praktischen Bedingungen zu testen. Anhand von Bewirtschaftungsdaten sollen zudem gasförmige Verluste in Form von klimaschädlichem Lachgas und Ammoniak aus der Anwendung von Düngemitteln quantifiziert werden. Später soll dieses Frühüberwachungskonzept in ein landesweites Nitratüberwachungssystem integriert werden. Das Überwachungskonzept basiert auf einem multiparametrischen Satz von Frühindikatoren wie jährlichen Bilanzwerten und Messungen. Bilanzwerte und Messungen werden am Ursprungsort der Nitratfrachten (1) in der Landwirtschaft, (2) in der Wurzelzone und (3) in der Sickerwasserentwässerungszone aufgezeichnet. Die Bewirtschaftungsdaten werden zudem mit Emissionsfaktoren zur Quantifizierung gasförmiger klimarelevanter Schadgase aus der Anwendung verschiedener Düngemittel verknüpft. Somit kann eine vollständige Bilanzierung der N-Verlustpfade vorgenommen werden. Ziel ist es, die Auswirkungen von Änderungen in den Bewirtschaftungspraktiken auf die Nitratbelastung sowie die Emission von Lachgas und Ammoniak von landwirtschaftlichen Flächen zu erfassen.

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