Auswirkungen des Klimawandels auf den Bodenwasserhaushalt unter Beachtung von Bodenbearbeitung und Bodenbedeckung

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1 Auswirkungen des Klimawandels auf den Bodenwasserhaushalt unter Beachtung von Bodenbearbeitung und Bodenbedeckung Falk Böttcher (MBA), Referatsleiter Agrarmeteorologie DWD Leipzig 1

2 Gliederung Grundlagen des Klimawandels Beobachtete Veränderungen Auswirkungen auf die Bodenwasserhaushalt 2

3 IPCC Assessment Reports seit

4 All Figures IPCC 2014

5 Szenarien Grundlagen für Zukunftsaussagen All Figures IPCC 2014

6 Die Vielzahl der Klimamodelle scenarios global model regional model spatial resolution: km temporal resolution: 1 day global model HadRM3Q3 RCA 3.0 HadRM3Q16 RCA 3.0 HadCM3Q16 REMO 2005 (UBA) CLM WettReg 2005 WettReg 2010 STAR regional model HadRM3Q0 CLM PROMES 2005 HIRHAM 2 RRCM CRCM HadCM3Q3 HadCM3Q0 HIRHAM 2 HIRHAM 5 RCA 3.0 CGCM3 BCM A1B, RCP3PD RCP4.5 RCP6 RCP8.5 IPSL CLM ECHAM5_r1 ECHAM5_r2 ECHAM5_r3 CNRM CM3 ALADIN RM4.5 ALADIN RM5.1 HIRHAM 5 REMO 2009 (BfG) CLM REMO 5.7 HIRHAM 5 RACMO 2.1 RegCM 3 RCA 3.0 scenario CERA ENSEMBLES 6

7

8 Vergleich zwischen beobachteter und modellierter Klimaänderung All Figures IPCC 2013

9 20 Gebietsmittel der Anzahl der Heißen Tage (Temperaturmaximum mindestens 30 C) Deutschland 19,0 15 Tage , Einzeljahre Linearer Trend Ableitung von Rasterdaten und Gebietsmitteln aus Stationsmessnetz erlaubt langfristigen Vergleich

10 20 15 Gebietsmittel der Anzahl der Heißen Tage (Temperaturmaximum mindestens 30 C) Deutschland ,0 Gebietsmittel der Anzahl der Frosttage (Temperaturminimum unter 0 C) Deutschland 118,7 100 Tage ,6 Tage y = -0,2866x + 98,459 Einzeljahre Linearer Trend R 2 = 0, , Einzeljahre Linearer Trend Ableitung von Rasterdaten und Gebietsmitteln aus Stationsmessnetz erlaubt langfristigen Vergleich

11 Tage Gebietsmittel der Anzahl der Heißen Tage (Temperaturmaximum mindestens 30 C) Deutschland ,0 Gebietsmittel der Anzahl der Frosttage (Temperaturminimum unter 0 C) Deutschland ,7 Gebietsmittel der Anzahl der Tage mit mindestens 20 mm Niederschlag Deutschland 8, ,6 Tage y = -0,2866x + 98,459 Einzeljahre Linearer Trend R 2 = 0,1071 2,9 10 Tage 5 55, Einzeljahre Linearer Trend Ableitung von Rasterdaten und Gebietsmitteln aus Stationsmessnetz erlaubt langfristigen Vergleich Einzeljahre Linearer Trend

12 Auswirkungen von Temperaturanstieg auf den Pflanzenbau Temperaturanstieg Zunahme der Temperaturen beschleunigt das Pflanzenwachstum Verfrühung des Vegetationsbeginns und Verlängerung der Andauer der thermischen Vegetationsperiode künftig bis zu 30 Tagen Verschiebung und Verkürzung der Entwicklungsphasen bei Kulturpflanzen Ertragsreduktion infolge hoher Temperaturen in hitzesensitiven Entwicklungsphasen Veränderung des Spektrums an tierischen Schaderregern, Krankheiten sowie an Unkräutern Temperaturansprüche von Kulturpflanzen Kultur T opt T max Weizen Mais Reis Sojabohne Kartoffel Anzahl der Körner pro Ähre Winterweizen Maximaltemperatur ( C) in den letzten 5 Tagen vor der Blüte Quelle: Wheeler 12

13 Lufttemperatur/Bodentemperatur Potsdam Absolute Trends der Dekaden-Jahreszeiten- und Dekaden- Jahresmittel in K und dazugehörige Signifikanzniveaus Quelle: Maria Böhme 13

14 Lufttemperatur/Bodentemperatur Potsdam Absolute Trends der Dekaden-Jahresmittel der Luftund Bodentemperatur in Potsdam Quelle: Maria Böhme 14

15 Bodentemperaturen bei unterschiedlicher Bodenbedeckung Schematischer Jahresgang der Wärmesummendifferenzen über 15 Jahre (positive Werte = Wärmevorteil des bedeckten Bodens; negative Werte = Wärmevorteil des unbedeckten Bodens) Agrarmeteorologie Leipzig Falk Böttcher Quelle: Hüttl et al. 2015

16 Kältesummen am Beispiel einer Station im Tiefland Kältesumme in 1/10 K

17 17

18 Tage mit einer Schneedecke / Zahl der Tage Brocken/Harz m NN Wasserkuppe/Rhön 921 m NN Tage mit einer Schneedecke*: Trend ist generell rückläufig örtlich bis -10 % alle 10 Jahre Trend ist lokal unterschiedlich Berlin-Tempelhof 48 m NN *Gesamtschneehöhe um 07 Uhr mind. 1 cm

19 Trend der Niederschläge April bis Juni 250,0 Niederschlagshöhe in mm 200,0 150,0 100, Angermünde Artern Chemnitz Cottbus Dresden Erfurt Jahre Gera Görlitz Leinefelde Magdeburg Meiningen Neuruppin Oschatz Potsdam Schkeuditz Seehausen Wittenberg Linear (Angermünde) Linear (Artern) Linear (Chemnitz) Linear (Cottbus) Linear (Dresden) Linear (Erfurt) Linear (Gera) Linear (Görlitz) Linear (Leinefelde) Linear (Magdeburg) Linear (Meiningen) Linear (Neuruppin) Linear (Oschatz) Linear (Potsdam) Linear (Schkeuditz) Linear (Seehausen) Linear (Wittenberg) Agrarmeteorologie Leipzig Falk Böttcher

20 Trend der Niederschläge Juli bis September 275,0 Niederschlagshöhe in mm 225,0 175,0 125,0 75, Jahre Angermünde Artern Chemnitz Cottbus Dresden Erfurt Gera Görlitz Leinefelde Magdeburg Meiningen Neuruppin Oschatz Potsdam Schkeuditz Seehausen Wittenberg Linear (Angermünde) Linear (Artern) Linear (Chemnitz) Linear (Cottbus) Linear (Dresden) Linear (Erfurt) Linear (Gera) Linear (Görlitz) Linear (Leinefelde) Linear (Magdeburg) Linear (Meiningen) Linear (Neuruppin) Linear (Oschatz) Linear (Potsdam) Linear (Schkeuditz) Linear (Seehausen) Linear (Wittenberg) Agrarmeteorologie Leipzig Falk Böttcher

21 Trend der Jahresniederschläge 800,0 Niederschlagshöhe in mm 700,0 600,0 500,0 400, Angermünde Artern Chemnitz Cottbus Dresden Erfurt Jahre Gera Görlitz Leinefelde Magdeburg Meiningen Neuruppin Oschatz Potsdam Schkeuditz Seehausen Wittenberg Linear (Angermünde) Linear (Artern) Linear (Chemnitz) Linear (Cottbus) Linear (Dresden) Linear (Erfurt) Linear (Gera) Linear (Görlitz) Linear (Leinefelde) Linear (Magdeburg) Linear (Meiningen) Linear (Neuruppin) Linear (Oschatz) Linear (Potsdam) Linear (Schkeuditz) Linear (Seehausen) Linear (Wittenberg) Agrarmeteorologie Leipzig Falk Böttcher

22 Trend der Jahressumme der pot. Verdunstung über Gras (Penman/Wendling) 750,0 700,0 Verdunstung in mm 650,0 600,0 550,0 500,0 450, Angermünde Artern Chemnitz Cottbus Dresden Erfurt Jahre Gera Görlitz Leinefelde Magdeburg Meiningen Neuruppin Oschatz Potsdam Schkeuditz Seehausen Wittenberg Linear (Angermünde) Linear (Artern) Linear (Chemnitz) Linear (Cottbus) Linear (Dresden) Linear (Erfurt) Linear (Gera) Linear (Görlitz) Linear (Leinefelde) Linear (Magdeburg) Linear (Meiningen) Linear (Neuruppin) Linear (Oschatz) Linear (Potsdam) Linear (Schkeuditz) Linear (Seehausen) Linear (Wittenberg) Agrarmeteorologie Leipzig Falk Böttcher

23 Bodenfeuchtemittel April - Juni, Dresden Bodenwasservorrat in %nfk Jahre Agrarmeteorologie Leipzig Falk Böttcher

24 Bodenfeuchtemittel April - Juni, Erfurt Bodenwasservorrat in %nfk Jahre Agrarmeteorologie Leipzig Falk Böttcher

25 Jahressumme der Versickerung, Dresden 600,0 500,0 400,0 Versickerung in mm 300,0 200,0 100,0 0, Jahre Agrarmeteorologie Leipzig Falk Böttcher

26 Jahressumme der Versickerung, Erfurt 300,0 250,0 200,0 Versickerung in mm 150,0 100,0 50,0 0, Jahre Agrarmeteorologie Leipzig Falk Böttcher

27 Trend der mittleren Bodenfeuchte unter Gras (0-60 cm), Oktober bis März 100,0 95,0 Bodenfeuchte in Prozent nfk 90,0 85,0 80,0 75,0 70, Angermünde Artern Chemnitz Cottbus Dresden Erfurt Jahre Gera Görlitz Leinefelde Magdeburg Meiningen Neuruppin 1985 Oschatz Potsdam Schkeuditz Seehausen Wittenberg Linear (Angermünde) Linear (Artern) Linear (Chemnitz) Linear (Cottbus) Linear (Dresden) Linear (Erfurt) Linear (Gera) Linear (Görlitz) Linear (Leinefelde) Linear (Magdeburg) Linear (Meiningen) Linear (Neuruppin) Linear (Oschatz) Linear (Potsdam) Linear (Schkeuditz) Linear (Seehausen) Linear (Wittenberg) Agrarmeteorologie Leipzig Falk Böttcher

28 Transpirationsrate in Abhängigkeit von der Bodenfeuchte Bezogen auf unterschiedliche Kaliumgehalte im Boden Quelle: K+S

29 Erhöhung der Bodenwasserspeicherfähigkeit in Abhängigkeit von der Kaliumversorgung des Bodens Quelle: K+S

30 Sommergersteertrag in Abhängigkeit der K und Mg-Dünung In normalen und trockenen Jahren Quelle: K+S

31 Wassernutzungseffizienz bei unterschiedlicher Kalidüngung Quelle: K+S

32 Kali-Versuch Cunnersdorf, 2013: Kartoffel Quelle: K+S, SKW und DWD

33 Kali-Versuch Cunnersdorf, 2013: Kartoffel Messungen im Zeitraum ; Bodentiefe: 0-60cm 25,0 K0 ohne Düngung K2 240 kg/ha K 2 O 20,0 15,0 10,0 5,0 0, Vol. % Kartoffeln K 0 Kartoffeln K 2 14,0 12,0 10,0 8,0 6,0 4,0 2,0 0,0 Vol. % Bodenfeuchte 0-60 cm Tiefe Kraut tot nach Ernte K0 K2 Wasserverbrauch (mm) 392,8 414,7 Ertrag (t/ha) 27,2 32,14 WnE (kg ha-1mm-1) 69,26 77,50 WnE (l/kg) 144,39 129,03 Quelle: K+S, SKW und DWD

34 Potenzielle vs. Reale Verdunstung (Winterweizen) Wasserbilanz in mm am Standort Nossen Standort Nossen Datum KWB kumulativ (Niederschlag minus POTENZIELLE Verdunstung) WB kumulativ (Niederschlag minus REALE Verdunstung) bei Winterweizen 34

35 Vergleich der langjährigen Niederschlagstagessummen mit dem Jahr 2014 in Erfurt 700,0 Summierung der Tagesniederschlagssumme 600,0 500,0 400,0 300,0 200,0 100,0 0, Tage seit Jahresbeginn Summe langjähriges Mittel Summe akt. Tageswert Agrarmeteorologie Leipzig Falk Böttcher

36 Vergleich der langjährigen Niederschlagstagessummen mit dem Jahr 2014 in Gera 700,0 Summierung der Tagesniederschlagssumme 600,0 500,0 400,0 300,0 200,0 100,0 0, Tage seit Jahresbeginn Summe langjähriges Mittel Summe akt. Tageswert Agrarmeteorologie Leipzig Falk Böttcher

37 Regenverdaulichkeit des Bodens Bodenfeuchtemessungen mit FDR-Rohrsonde DWD-KU 3 LZ Datum Uhrzeit 0-10 cm cm cm cm cm cm Tiefe :32: %nfk :02: %nfk Ereignis: Schauer mit einer Niederschlagsmenge von 9 mm in der halben Stunde Resultat: Diese recht hohe Niederschlagsmenge kommt kaum dem Boden zugute! :02: %nfk :32: %nfk :02: %nfk :32: %nfk :02: %nfk :32: %nfk :02: %nfk :32: %nfk :02: %nfk :32: %nfk :02: %nfk Ereignis: Landregen mit insgesamt 4 mm Niederschlag über 5 Stunden. Resultat: Von den gefallenen 4 mm werden ca. 3 mm in den oberen 10 cm gespeichert!

38 Bodenbearbeitungsverfahren und Bodenwasserhaushalt (Standort Lüttewitz; Daten LfULG und Südzucker AG) 38

39 Bodenbearbeitungsverfahren und Bodenwasserhaushalt (Standort Lüttewitz; Daten LfULG und Südzucker AG)

40 Bodenfeuchte (Ende der Winterruhe bis Ernte, Winterweizen) Quelle: MA Julia Peter (HTW Dresden, 2014)

41 Untersuchungen zur Beregnungsbedürftigkeit in Mitteldeutschland Winterweizen: Beregnungstage unter 30%nFK Leipzig

42 Veränderungen in der Feldbefahrbarkeit Befahrbarkeit Befahrbarkeit Befahrbarkeit % 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% Dezember November Oktober September August Juli Juni Mai April März Februar Januar Dezember November Oktober September August Juli Juni Mai April März Februar Januar Dezember November Oktober September August Juli Juni Mai April März Februar Januar Übersicht über die prozentuale Verteilung der Befahrbarkeit für Magdeburg und leichten Boden

43 Feldbefahrbarkeit und Bodenfeuchte Tiefe Fahrspuren und ihre Folgen Frühjahr 09 Herbst 09 Feldbefahrbarkeit gegeben bei Bodenfeuchte <85 %nfk Bilder: Erhard Albert

44 Wasserhaushalt im Zwischenfruchtanbau Eingangsthesen: Zwischenfrüchte sind geeignet für die Nährstoffregulation im Boden. Zwischenfrüchte sind geeignet zur Risikominimierung hinsichtlich Erosion. Zwischenfrüchte lockern das Fruchtartenspektrum auf und sorgen so für positive phytosanitäre und ertragsstabilisierende Wirkungen. Zwischenfrüchte sorgen für Stabilität im Humushaushalt und helfen, die Bodenfruchtbarkeit und Bodengesundheit zu sichern.. ABER: Agrarmeteorologie Leipzig Falk Böttcher

45 Wasserhaushalt im Zwischenfruchtanbau. ABER: Sie beanspruchen die Bodenwasservorräte und nehmen der folgenden Hauptfrucht wichtige (ertragsrelevante) Wasserreserven weg. (Gängige Lehrmeinung!) Stimmt das? : Literatursichtung Beispiele Pro Contra Agrarmeteorologie Leipzig Falk Böttcher

46 2010: Bodenfeuchtemodellierung mit METVER für 19 Orte im Osten der Bundesrepublik Agrarmeteorologie Leipzig Falk Böttcher

47 Gravimetrische Bodenfeuchtemessungen (Trossin/Nordsachsen), 0-60 cm Bodenfeuchte 0-60 cm Tiefe Vol. % / / Sonnenblume Tillage_radish Leguminose_Erbse Futterroggen MS_100_A Terra Life_Maispro Rauhafer Sudangras Ramtillkraut Tart. Buchweizen Ölrettich Phacelia Gelbsenf Brache Agrarmeteorologie Leipzig Falk Böttcher

48 Gravimetrische Bodenfeuchtemessungen (Trossin, EVA) 0-60 cm, Bodenfeuchte 0-60 cm Tiefe Vol. % Luzernegras (mehrjährig, 2 Jahre, PG 4) Wickroggen (HF, PG 5) Brache, dann Mais (HF, PG6) abfr. Gelbsenf, dann Sorghum bicolor (HF; PG 2) Agrarmeteorologie Leipzig Falk Böttcher

49 Gravimetrische Bodenfeuchtemessungen (Trossin, EVA) 0-60 cm, ,0 Bodenfeuchte 0-60 cm 25,0 20,0 15,0 10,0 5,0 0, Bodenfeuchte in Vol.% Brache, dann Mais (HF, PG6) Grünroggen/Sorghum bicolor (PG 3) Durchwachsene Silphie (PG 10) Grünroggen/Mais (ZF, PG 2) Szarvasi (PG 9) Hybridroggen als GPS (PG 8) Luzernegras (PG 4) Agrarmeteorologie Leipzig Falk Böttcher

50 TDR - Bodenfeuchtemessungen (Trossin, EVA) 0-60 cm, ,0 25,0 Bodenfeuchte in Vol.% 20,0 15,0 10,0 5,0 0, Luzernegras Durchwachsene Silphie Szarvasi Agrarmeteorologie Leipzig Falk Böttcher

51 Wasserhaushalt im Zwischenfruchtanbau (Reale Verdunstung Gefäßversuche) Untersucht wurden: -Verschiedene Brachevarianten -Mulchvarianten -Zwischenfruchtvarianten ABER: Es konnten aufgrund des Niederschlagsfehlers bis 2014 nur niederschlagsfreie Tage untersucht werden. Agrarmeteorologie Leipzig Falk Böttcher

52 Wasserhaushalt im Zwischenfruchtanbau (Reale Verdunstung Gefäßversuche) 18.0 Reale Verdunstung in mm Brache (gemischt) Gelbsenf Phacelia Agrarmeteorologie Leipzig Falk Böttcher

53 Wasserhaushalt im Zwischenfruchtanbau (Reale Verdunstung Gefäßversuche) 9.0 Beide Gefäße bewuchsfrei Ein Gefäß bewuchsfrei Anderes Gefäß: beginnender Bewuchs Ein Gefäß bewuchsfrei Anderes Gefäß: Boden durch Bewuchs bedeckt Reale Verdunstung in mm AET in mm Brache Gefäß 23 (unbew achsen) AET in mm Brache Gefäß 28 (ab beginnender Bew uchs, ab mit Unkraut bedeckt) Agrarmeteorologie Leipzig Falk Böttcher

54 Wasserhaushalt im Zwischenfruchtanbau (Reale Verdunstung Gefäßversuche) Reale Verdunstung in mm AET in mm Brache (Gefäß 28, voll bew achsen) AET in mm Gelbsenf AET in mm Phacelia Agrarmeteorologie Leipzig Falk Böttcher

55 Wasserhaushalt im Zwischenfruchtanbau (Reale Verdunstung Gefäßversuche) Mulchvarianten und Brachevarianten (relative Darstellung: unbearbeitete und bewuchsfreie Brache = 100%) AET der Varianten in Bezug zur Schwarzbrache in Prozent (unkrautfreie Brache ohne Bodenbearbeitung entspricht 100%) Brache bearbeitet, unkrautfrei Brache unbearbeitet, mit Unkraut Mulch Gelbsenf Mulch Phacelia Brache unbearbeitet, unkrautfrei Agrarmeteorologie Leipzig Falk Böttcher

56 Wasserhaushalt im Zwischenfruchtanbau (Reale Verdunstung Gefäßversuche) Mulchvariante und Brachevarianten (relative Darstellung: unbearbeitete und bewuchsfreie Brache = 100%) 200,0 180,0 160,0 140,0 120,0 100,0 80,0 60,0 40,0 20,0 0, AET der Varianten in Bezug zur Schwarzbrache in Prozent (unkrautfreie Brache ohne Bodenbearbeitung entspricht 100%) Brache bearbeitet, unkrautfrei Brache unbearbeitet, mit Unkraut Strohmulch Brache unbearbeitet, unkrautfrei Agrarmeteorologie Leipzig Falk Böttcher

57 Wasserhaushalt im Zwischenfruchtanbau (Reale Verdunstung Gefäßversuche) Mulchvariante, Zwischenfruchtvariante und Brachevarianten (relative Darstellung: unbearbeitete und bewuchsfreie Brache = 100%) AET in Prozent bezogen auf Brache unbearbeitet, unkrautfrei Zwischenfrucht Planterra ZWH 4022 Vitalis extra Brache unbearbeitet, mit Unkraut Brache unbearbeitet, unkrautfrei Brache bearbeitet, unkrautfrei Weizenstrohmulch Agrarmeteorologie Leipzig Falk Böttcher

58 Wasserhaushalt im Zwischenfruchtanbau (Reale Verdunstung Gefäßversuche) Unterschiedliche Brachevarianten (relative Darstellung: unbearbeitete und bewuchsfreie Brache = 100%) AET der Varianten in Bezug zur Schwarzbrache in Prozent (unkrautfreie Brache ohne Bodenbearbeitung entspricht 100%) Brache bearbeitet, unkrautfrei Brache unbearbeitet, mit Unkraut Brache unbearbeitet, unkrautfrei Agrarmeteorologie Leipzig Falk Böttcher

59 Haben Sie Fragen? 069/ Klimawandel aus meteorologischer Sicht Seite 59

60 Danke für Ihre Aufmerksamkeit