Home Pflanzenprozesse N-Aufnahme

Neueste Publikation

 


Asseng et al. (2015): 
Rising heat reduces global wheat production. Nature Climate Change 5 (2), 143–147.

 


N-Aufnahme PDF Drucken E-Mail

Die N-Aufnahme der Pflanze aus dem Boden wird nach der Idee von Kersebaum (1989) modelliert. Der tägliche Stickstoffbedarf der Pflanze wird berechnet durch

 

 \fn_cm \small N_{pot} = \left( N_{target} \cdot W + N_{max \, root} \cdot W_{root} + N_{target} \cdot \frac{W_b}{p_N} - N_{crop}^{*} \right) \cdot \Delta t

 

 \fn_cm \small  N_{pot} Tägliches Stickstoffaufnahmevermögen  \fn_cm \small [kg \, N \, ha^{-1}]
 \fn_cm \small N_{target}

Maximale N-Konzentration in oberirdischen Pflanzenteilen

 \fn_cm \small [kg \, N \,kg \, TM^{-1}]
 \fn_cm \small W Oberirdische Trockenmasse  \fn_cm \small [kg \, N \, ha^{-1}]
 \fn_cm \small N_{max \, root} Maximale N-Konzentration in der Wurzel  \fn_cm \small [kg \, N \,kg \, TM^{-1}]
 \fn_cm \small W_{root} Wurzel-Trockenmasse  \fn_cm \small [kg \, N \, ha^{-1}]
 \fn_cm \small W_b Unterirdische Trockenmasse (nicht Wurzel)  \fn_cm \small [kg \, N \, ha^{-1}]
 \fn_cm \small p_N N-Verteilungskoeffizient  
 \fn_cm \small N_{crop}^{*} Gesamt-N-Gehalt der Pflanze im vergangenen Zeitschritt  \fn_cm \small [kg \, N \, ha^{-1}]
 \fn_cm \small \Delta t Zeitschritt  \fn_cm \small [d]

 

Er beträgt maximal  \fn_cm \small 6 \, kg \, N \, ha^{-1} \, d^{-1} . Die tägliche N-Aufnahme wird bestimmt durch die Wurzellänge und einen Begrenzungsfaktor, der mit der Ontogenese der Pflanze linear abnimmt und dem abnehmenden Anteil aktiver Wurzeloberfläche zu reinen Leitungswurzeln Rechnung trägt.

 

 \fn_cm \small \Delta N_{lim} = L_{root} \cdot \left( N_{up \, max} - \frac{DD_{act}}{DD_{crop}} \right)

 

 \fn_cm \small \DeltaN_{lim} Limit der täglichen N-Aufnahme  \fn_cm \small [kg \, N \, m^{-2}]
 \fn_cm \small L_{root} Gesamte Wurzellänge  \fn_cm \small [m \, m^{-2}]
 \fn_cm \small N_{up \, max} Pflanzenspezifische maximale N-Aufnahme  \fn_cm \small [kg \, N \, m \, Wurzel^{-1}]
 \fn_cm \small DD_{act} Aktuelle Wärmesumme  \fn_cm \small [^{\circ}C \, d]
 \fn_cm \small DD_{crop} Pflanzenspezifische gesamte Wärmesumme  \fn_cm \small [^{\circ}C \, d]

 

Es wird angenommen, dass N ausschließlich in der Nitratform aufgenommen wird. Der Transport erfolgt konvektiv mit dem Transpirationsstrom.

 

 \fn_cm \small N_{konv \, max} = \sum_{z=1}^{Q \cdot R_z} T_z \cdot c_z \cdot \Delta z \cdot \Delta t

 

 

 \fn_cm \small N_{konv \, max} Maximale konvektive N-Aufnahme  \fn_cm \small [kg \, N \, m^{-2}]
 \fn_cm \small R_z Durchwurzelungstiefe  \fn_cm \small [m]
 \fn_cm \small q Verhältnis absolute zu simulierter Durchwurzelungstiefe  
 \fn_cm \small T_z Transpiration  \fn_cm \small [mm]
 \fn_cm \small c_z N-Konzentration in der Bodenlösung  \fn_cm \small [kg \, N \, m^{-3}]
 \fn_cm \small \Delta z Schichtmächtigkeit  \fn_cm \small [m]
 \fn_cm \small \Delta t Zeitschritt  \fn_cm \small [d]

 

Übersteigt die konvektive Anlieferung das Aufnahmevermögen der Pflanze, berechnet sich die Aufnahme in den einzelnen Schichten

 

 \fn_cm \small N_{konv_z} = T_z \cdot c_z \cdot \frac{N_{pot}}{N_{mas}} \cdot \Delta z \cdot \Delta t

 

 \fn_cm \small N_{konv_z Tägliche konvektive N-Aufnahme aus der Bodenschicht z  \fn_cm \small [kg \, N \, m^{-2}]
 \fn_cm \small T_z Transpiration aus Tiefe z  \fn_cm \small [mm]
 \fn_cm \small c_z N-Konzentration in der Bodenlösung  \fn_cm \small [kg \, N \, m^{-3}]
 \fn_cm \small N_{pot} Tägliches Stickstoffaufnahmevermögen  \fn_cm \small [kg \, N \, ha^{-1}]
 \fn_cm \small N_{mas} Limit der täglichen N-Aufnahme  \fn_cm \small [kg \, N \, m^{-2}]
 \fn_cm \small \Delta z Schichtmächtigkeit  \fn_cm \small [m]
 \fn_cm \small \Delta t Zeitschritt  \fn_cm \small [d]

 

Reicht der konvektive N-Antransport jedoch nicht aus, um das Aufnahmepotenzial zu befriedigen, wird zusätzlich ein Antransport durch Diffusion berücksichtigt (Baldwin et al. 1973), dessen maximaler Betrag wie folgt berechnet wird:

 

 \fn_cm \small N_{diff \, max} = \sum_{z=1}^{q \cdot R_z} N_{diff \, max_z} = \sum_{z=1}^{q \cdot R_z} 2 \cdot \pi \cdot r_w \cdot \Lambda_z \cdot D \cdot \frac{c_z - c_{min}} {r_z} \cdot \Delta z \cdot  \Delta t

 

 \fn_cm \small N_{diff \, max} Maximale diffusive N-Aufnahme  \fn_cm \small [kg \, N \, m^{-2}]
 \fn_cm \small R_z Durchwurzelungstiefe  \fn_cm \small [m]
 \fn_cm \small q Verhältnis absolute zu simulierter Durchwurzelungstiefe  
 \fn_cm \small N_{diff \, max_z} Maximale diffusive N-Aufnahme aus der Bodenschicht z  \fn_cm \small [kg \, N \, m^{-2}]
 \fn_cm \small r_w Wurzelradius  \fn_cm \small [m]
 \fn_cm \small \Lambda_z Wurzellängendichte in Tiefe z  \fn_cm \small [m \, m^{-3}]
 \fn_cm \small D Effektiver Dispersionskoeffizient  \fn_cm \small [m^2 \, d^{-1}]
 \fn_cm \small c_z N-Konzentration in der Bodenlösung  \fn_cm \small [kg \, N \, m^{-3}]
 \fn_cm \small c_{min} Min. N-Konzentration an der Wurzeloberfläche (1.4·10–6)  \fn_cm \small [kg \, N \, m^{-3}]
 \fn_cm \small r_z Halbe Wurzeldistanz  \fn_cm \small [m]
 \fn_cm \small \Delta z Schichtmächtigkeit  \fn_cm \small [m]
 \fn_cm \small \Delta t Zeitschritt  \fn_cm \small [d]

 

mit der halben Distanz zwischen benachbarten Wurzeln unter Annahme einer Gleichverteilung

 

 \fn_cm \small r_z = (\pi \cdot \Lambda_z)^{-0.5}

 

 \fn_cm \small r_z Halbe Wurzeldistanz  \fn_cm \small [m]
 \fn_cm \small \Lambda_z Wurzellängendichte in Tiefe z  \fn_cm \small [m \, m^{-3}]

 

und dem effektiven Dispersionskoeffizienten

 

 \fn_cm \small D= \frac{1}{\tau} \cdot D_0 + D_v \cdot \vert \frac{q}{\theta}\vert

 

 \fn_cm \small D Effektiver Dispersionskoeffizient  \fn_cm \small [m^2 \, d^{-1}]
 \fn_cm \small \tau Tortuosität  
 \fn_cm \small D_0 Diffusionskoeffizient in Lösung (2.14·10–5)  \fn_cm \small [m^2 \, d^{-1}]
 \fn_cm \small d_v Dispersionsfaktor (0.05)  \fn_cm \small [m]
 \fn_cm \small q Wasserflussdichte  \fn_cm \small [m^2 \, d^{-1}]
 \fn_cm \small \theta Vol. Wassergehalt  \fn_cm \small [m^3 \, m^{-3}]

 

mit

 

 \fn_cm \small \tau = \frac {\theta}{a \cdot e^{b \cdot \theta}}

 

 \fn_cm \small \tau Tortuosität  
 \fn_cm \small \theta Vol. Wassergehalt  \fn_cm \small [m^3 \, m^{-3}]
 \fn_cm \small a, b Faktoren  

 

Übersteigt die zusätzliche diffusive Anlieferung das Aufnahmevermögen der Pflanze, wird sie, begrenzt durch das Aufnahmevermögen, über die Bodenschichten verteilt.

 

 \fn_cm \small N_{diff_z} = (N_{pot} - N_{konv \, max}) \cdot \frac{N_{diff \, max_z}}{N_{diff \, max}}

 

 \fn_cm \small N_{diff_z} Tägliche diffusive N-Aufnahme aus der Bodenschicht z  \fn_cm \small [kg \, N \, m^{-2}]
 \fn_cm \small N_{pot}  Tägliches Stickstoffaufnahmevermögen  \fn_cm \small[kg \, N \, m^{-2}]
 \fn_cm \small N_{konv \, max}  Maximale konvektive N-Aufnahme  \fn_cm \small [kg \, N \, m^{-2}]
 \fn_cm \small N_{diff \, max_z} Maximale diffusive N-Aufnahme aus der Bodenschicht z  \fn_cm \small [kg \, N \, m^{-2}]
 \fn_cm \small N_{diff \, max} Maximale diffusive N-Aufnahme  \fn_cm \small [kg \, N \, m^{-2}]

 

Die tatsächliche N-Aufnahme berechnet sich schließlich aus

 

 \fn_cm \small N_{up_z} = N_{konv_z} + N_{diff_z} \,\,\,\,\, \mbox{     } N_{up_z} \leq N_z - N_{min\,av}

 

 \fn_cm \small N_{up_z} Tägliche N-Aufnahme aus der Bodenschicht z  \fn_cm \small [kg \, N \, m^{-2}]
 \fn_cm \small N_{konv_z} Tägliche konvektive N-Aufnahme aus der Bodenschicht z  \fn_cm \small [kg \, N \, m^{-2}]
 \fn_cm \small N_{diff_z} Tägliche diffusive N-Aufnahme aus der Bodenschicht z  \fn_cm \small [kg \, N \, m^{-2}]
 \fn_cm \small N_z N-Gehalt der Bodenschicht z  \fn_cm \small [kg \, N \, m^{-2}]
 \fn_cm \small N_{min\,av} Minimaler N-Gehalt in der Bodenschicht z  \fn_cm \small [kg \, N \, m^{-2}]

 

und

 

 \fn_cm \small N_{up} = \sum_{z=1}^{q \cdot R_z} N_{up_z}

 

 \fn_cm \small N_{up} Tägliche N-Aufnahme  \fn_cm \small [kg \, N \, m^{-2}]
 \fn_cm \small R_z Durchwurzelungstiefe  \fn_cm \small [m]
 \fn_cm \small q Verhältnis absolute zu simulierter Durchwurzelungstiefe  
 \fn_cm \small N_{up_z} Tägliche N-Aufnahme aus der Bodenschicht z  \fn_cm \small [kg \, N \, m^{-2}]

 

Literatur

Baldwin, J.P. et al. (1973): Uptake of solutes by multiple root systems from soil. III. A model for calculating the solute uptake by a randomly dispersed root system developing in a finite volume of soil. Plant Soil 38, 621 – 635.

Groot, J.J.R. (1987): Simulation of nitrogen balance in a system of winter wheat and soil. Simulation Report CABO-TT 13. Centre for agrobiological research and Department of Theoretical Production Ecology, Landwirtschaftliche Universität Wageningen, Niederlande.

Kersebaum, K.C. (1989): Die Simulation der Stickstoff-Dynamik von Ackerböden. Dissertation, Universität Hannover, p. 143.

 

Zuletzt aktualisiert am Mittwoch, den 05. September 2012 um 15:20 Uhr