Assessing the effects of agricultural management practices on crop ecosystems with the LPJ-GUESS model

In den letzten Jahrzehnten ist es weltweit zu erheblichen Verlusten an organischem Kohlenstoff (SOC) im Boden gekommen, die auf die Intensivierung der Landwirtschaft und die Umwandlung natürlicher Böden in landwirtschaftliche Nutzflächen zur Ernährung der wachsenden Bevölkerung zurückzuführen sind. Die Erhöhung der SOC-Bestände in Ackerflächen durch verbesserte Bewirtschaftungspraktiken - wie die Verringerung der Bodenbearbeitung, die Ausbringung von Ernterückständen und der Anbau von Zwischenfrüchten - wurde als vielversprechende Option für die Eindämmung des Klimawandels identifiziert, mit gleichzeitigen Vorteilen für die Bodenfruchtbarkeit und die Ernteerträge. ... mehrDie großflächige Quantifizierung dieser Bewirtschaftungspraktiken auf landwirtschaftliche Ökosysteme, einschließlich der Auswirkungen des Anbaus von Leguminosen, ist jedoch nach wie vor unsicher. Um die globale landwirtschaftliche Produktion besser abzubilden, integriere ich in dieser Arbeit zunächst zwei Körnerleguminosen (Sojabohne und Ackerbohne) und eine krautige Leguminose (Weißklee) mit biologischer Stickstofffixierung (BNF) in das dynamische Vegetationsmodell LPJ-GUESS. Die räumlichen und zeitlichen Muster der BNF-Raten in Sojabohnen und Ackerbohnen werden über den historischen Zeitraum 1981-2016 quantifiziert. Anschließend wird der Großflächige Einfluss alternativer Bewirtschaftungsstrategien auf die Ernteerträge und die Kohlenstoff- (C) und Stickstoff- (N) Bilanzen der Anbauflächen unter gegenwärtigen und zukünftigen Klimabedingungen untersucht, indem die Ergebnisse der aktualisierten Modellversion angewendet und analysiert werden.
Die Modellsimulationen zeigen, dass die globale N-Fixierung in Sojabohnen und allen Hülsenfrüchten (die im Modell die Ackerbohne repräsentieren) im Zeitraum 1981-2016 bei 11,6±2,2 Tg N yr-1 bzw. 5,6±1,0 Tg N yr-1 beträgt. Räumlich gesehen sind die höchsten BNF-Raten in tropischen und gemäßigten Regionen mit warmem und feuchtem Klima zu finden. Die Bodenwasserverfügbarkeit und die Temperatur sind neben der N-Düngung die wichtigsten Einflussfaktoren für die N-Fixierung. Insgesamt macht die modellierte Gesamt-N-Fixierung durch Körnerleguminosen 12 % des jährlich in globalen terrestrischen Ökosystemen fixierten N aus (ca. 140 Tg N yr-1), was auf die Bedeutung des BNF-Eintrags in Ackerflächen für den globalen terrestrischen N-Kreislauf schließen lässt, obwohl ein großer Teil des fixierten N jedes Jahr durch die Ernte aus den Ökosystemen entfernt wird.
Der Anbau von Leguminosen als Deckfrucht in der Zwischenseason unterscheidet sich deutlich vom reinen Anbau von Körnerleguminosen, da der in Deckfrüchten fixierte Stickstoff in der Regel in den Boden zurückgeführt wird. Unter der Annahme, dass weltweit alle Anbauflächen konservierende Landwirtschaftstechniken verwenden, ergibt sich basierend auf den Modelldaten, dass die Kombination von N-fixierenden Deckfrüchten und minimaler Bodenbearbeitung den Kohlenstoffgehalt des Bodens um 7 % (+0,32 Pg C yr-1 in den globalen Anbauflächen) erhöhen und gleichzeitig die N-Auswaschungsverluste um 41 % (-7,3 Tg N yr-1) nach 36 Jahren der Umsetzung reduzieren kann (die maximale Dauer, die in Feldversuchen mit Deckfrüchten in dieser Dissertation ermittelt wurde). Diese integrierte Praxis geht mit einem Anstieg der gesamten pflanzlichen Produktion um 2 % (+37 Millionen Tonnen pro Jahr, einschließlich Weizen, Mais, Reis und Soja) im letzten Jahrzehnt der Simulation einher. Im Vergleich zu Nicht-Leguminosen-Deckungskulturen trägt der Einsatz von N-fixierendem Deckungsanbau in den Modellexperimenten stärker zur Ertragssteigerung in den feuchten Tropen bei, während die Produktionsverluste in den nördlichen gemäßigten Klimazonen gemildert werden. Diese räumliche Variation hängt mit den Hauptkulturen und dem Stickstoffdüngereinsatz zusammen, wobei bei Sojabohnensystemen und stark gedüngten landwirtschaftlichen Böden nur geringe Ertragsveränderungen simuliert werden.
Am Beispiel von Ostafrika werden Leguminosen zusammen mit sechs alternativen Bewirtschaftungsstrategien untersucht, um ihre Auswirkungen auf die Ökosysteme von Nutzpflanzen zu quantifizieren. Die regionalen Simulationen zeigen, dass die verbesserten Bewirtschaftungsmethoden, die in den tropischen Ökosystemen umgesetzt werden, den Klimawandel abmildern und gleichzeitig die Ernteerträge steigern können, insbesondere bei einer integrierten konservierenden Landwirtschaft, die alle bodenschonenden Techniken kombiniert. In den untersuchten Regionen führt diese kombinierte Strategie, die keine Bodenbearbeitung, die Ausbringung von Rückständen und Dung sowie den Anbau von Deckfrüchten umfasst, langfristig zu einer Erhöhung der simulierten SOC-Vorräte um 11 %, begleitet von einer Steigerung der gesamten Pflanzenproduktion um 25 %. Der Anbau von N-fixierenden Deckfrüchten ist ebenfalls vielversprechend, um den C-Gehalt im Ackerboden (+4 %) und die landwirtschaftliche Produktion (+16 %) zu erhöhen, wobei die Umweltkosten in Bezug auf die gesamten N-Verluste (+28 %; einschließlich gasförmiger Emissionen und N-Auswaschung) zu berücksichtigen sind. Diese Bewirtschaftungseinflüsse würden bei drei Klimaszenarien möglicherweise auch in Zukunft bestehen bleiben.
Zusammenfassend zeigen die Ergebnisse dieser Arbeit, wie wichtig die Berücksichtigung von N-Fixierern bei der Bewertung großräumiger C-N-Zyklen in Systemen der konservierenden Landwirtschaft ist. Sie zeigen auch die Möglichkeit einer verbesserten landwirtschaftlichen Bewirtschaftung auf, um ökologische Nachhaltigkeit zu erreichen und die Ernährungssicherheit in globalen Anbauflächen zu gewährleisten.

Substantial losses of global soil organic carbon (SOC) have occurred over recent decades, arising from agricultural intensification and the conversion of natural soils for agricultural uses to feed the growing population. Enhancing SOC stocks in croplands through improved management practices—such as reducing tillage, residue application and cover crops—has been identified as a promising option for climate change mitigation, with co-benefits for soil fertility and crop yields. However, the large-scale quantification of these management effects on agricultural ecosystems with ecological models remains uncertain, including the impacts of the cultivation of leguminous crops, which has the potential to reduce the use of synthetic fertilizer and therefore contributes to environmental sustainability. ... mehrTo better represent global agricultural managements, in this thesis I first incorporate two grain legumes (soybean and faba bean) and one herbaceous legume (white clover), with their inherent process of biological nitrogen fixation (BNF) into the dynamic global vegetation model LPJ-GUESS. The spatial and temporal patterns of the BNF rates in soybean and faba bean are quantified over the historical period 1981-2016. Subsequently, the large-scale influence of alternative management strategies (such as legume cover crops, no-tillage, and residue retention) on yields and cropland carbon (C) and nitrogen (N) balances is investigated under present and future climate conditions, through applying and analyzing results from the updated model version.
Simulations from LPJ-GUESS show that global N fixation in soybean and all pulses (representing faba bean in the model) are 11.6±2.2 Tg N yr-1 and 5.6±1.0 Tg N yr-1, respectively, during the period 1981-2016. Spatially, the highest BNF rates are found in tropical and temperate regions with warm and humid climates. Soil water availability and temperature are most important factors controlling N fixation, in addition to N fertilization. Overall, the modelled total N fixation from grain legumes accounts for 12% of the annual N fixed across all global terrestrial ecosystems (ca. 140 Tg N yr-1), indicating the importance of BNF input in croplands for the global terrestrial N cycle, although a large amount of the fixed N is removed from the ecosystems every year through crop harvests.
Practicing legume cover cropping would be quite different to the cultivation of grain legumes since the fixed N in cover crops is usually returned to soils. Assuming that all croplands worldwide are to adopt conservation agriculture techniques, the model estimates that combined N-fixing cover crops with no-tillage management can potentially increase soil carbon levels by 7% (+0.32 Pg C yr-1 in global croplands) while reducing N leaching loss by 41% (-7.3 Tg N yr-1) after 36 years of implementation (the maximum duration found in cover cropping field trials in this thesis). This integrated practice is accompanied by a potential 2% increase in total crop production (+37 million tonnes per year including wheat, maize, rice, and soybean) in the last decade of the simulation. In comparison with non-legume cover crops, the adoption of N-fixing cover cropping in model experiments contributes more to gaining yield benefits in the humid tropics while it is mitigating production losses under northern temperate climates. This spatial variation is found to be associated with main-crop types and N fertilizer inputs, with little yield changes simulated in soybean systems and highly fertilized agricultural soils.
Taking eastern Africa as a case study, legume cover crops, together with six alternative management strategies, are further assessed to quantify their impacts on crop ecosystems. The regional simulations reveal that improved managements implemented in the warm and humid ecosystems can favor climate change mitigation while benefiting crop yields, especially for an integrated conservation agriculture practice that combines all soil-conserving techniques. When integrated the simulated grid cells over the study region, this combined strategy—including no-tillage, residue and manure application, and cover cropping—is found to increase total SOC stocks by 11% in the long term, accompanied by a 25% enhancement in total crop production under the present-day climate. Over the same period, practicing N-fixing cover crops is also identified as a promising strategy to increase cropland soil C levels (+4%) and agricultural production (+16%), however on the environmental cost of increased total N losses (+28%; including gaseous emissions and N leaching). These management influences would be possibly sustained in the future under three climate pathways.
In conclusion, the results of this thesis highlight the importance of accounting for N fixers when assessing large-scale C-N cycles in conservation agriculture systems. They also demonstrate that, with improved agricultural managements, it is possible to achieve environmental sustainability and ensure food security in global croplands.