Auswirkungen von Landnutzungsänderungen, Klimaveränderungen und Pflanzenmanagement auf Bodendegradation und Ernteertrag im oberen Ouémé-Einzugsgebiet

Problemstellung

Aufgrund des anhaltenden Bevölkerungswachstums im Untersuchungsgebiet ist eine zunehmende Ausdehnung der landwirtschaftlich genutzten Fläche, aber auch ein verstärkter Nutzungsdruck auf die bereits vorhandenen Felder zu verzeichnen. Als Folge von verkürzten Brachezeiten, mangelndem Düngereinsatz, regelmäßigem Abbrennen der Biomasse sowie Wassererosion, zeigen die Böden in einigen Teilen des Untersuchungsgebiets bereits starke Degradationserscheinungen. Mit dem Verlust an Bodenfruchtbarkeit und der schlechteren Durchwurzelbarkeit ist kurz- (wenige Jahre) bis mittelfristig (Jahrzehnte) mit Einbußen bei den Ernteerträgen zu rechnen. Diese sind zum Teil irreversibel und angesichts der vorherrschenden Subsistenzwirtschaft für die Landbevölkerung von existenzieller Bedeutung.

Die Entwicklung der Erträge nimmt eine zentrale Rolle hinsichtlich der zukünftigen Landnutzungsänderungen ein, da sie maßgeblich die Flächenausdehnung der landwirtschaftlichen Nutzung bestimmt. Sowohl die quantitativ genutzte Fläche, als auch die Intensität der Nutzung nehmen direkten Einfluss auf den Gebietswasserhaushalt.

Im Hinblick auf die Ernährungssicherung ist es daher wichtig, die Zusammenhänge zwischen Klima, Landnutzung, Ertrag, Bodeneigenschaften und Anbausystemen zu analysieren und zu quantifizieren.

Dabei geht es um vier zentrale Fragen:

Welche Effekte üben gegenwärtige und zukünftige Veränderungen in der Landnutzung und im Klima auf die Bodenerosion aus? Welche Gebiete im oberen Ouémé-Einzugsgebiet sind besonders erosionsgefährdet?

Wie wirken sich Klimaveränderungen und Bodendegradation auf den Ernteertrag wichtiger Feldfrüchte aus?

Kann durch veränderte Managementstrategien, wie beispielsweise den Einsatz von Dünger, der Ernteertrag gesteigert bzw. die Bodenerosion reduziert werden?

Mitarbeiter

Hiepe, N.N

Zielsetzung

Das Ausmaß der Bodenerosion im oberen Ouémé-Einzugsgebiet und den dazugehörigen Teileinzugsgebieten wird für rezente Verhältnisse und die IMPETUS Szenarien quantifiziert. Hot Spots der Bodenerosion werden identifiziert. Die Erträge für Mais, Yams, Sorghum und Maniok werden auf Feld- und Regionalskala für rezente Verhältnisse und verschiedene Szenarien (Klima, Bodendegradation) simuliert. Des Weiteren sollen mit Hilfe des Erosionsmodells SWAT und des Ertragsmodells EPIC auf verschiedenen Skalen Szenarien zum Pflanzenmanagement gerechnet werden. Anhand der ermittelten Zusammenhänge zwischen Klima, Landnutzung, Bodendegradation, Managementstrategien und Ertrag werden Aussagen über mögliche Konsequenzen hinsichtlich der zukünftigen Ernährungslage in Benin getroffen.

Um diese komplex vernetzten Prozesse und Zusammenhänge den „Stakeholdern“ benutzerfreundlich als Entscheidungsgrundlage zur Verfügung stellen zu können, soll im Rahmen des PKs ein SDSS entwickelt werden.

Modellierung

Das Blockdiagramm zeigt die wichtigsten Input- und Outputdaten für die verwendeten Modelle SWAT und EPIC. Die Notwendigkeit für die Anwendung von zwei verschiedenen Modellen ergibt sich aus den betrachteten Raumskalen. EPIC ist ein Standortmodell, welches mittels GIS für viele einzelne Standorte im Untersuchungsgebiet angewendet werden kann.

Im Gegensatz dazu ist SWAT ein regionales Simulationsmodell, welches in einer gröberen räumlichen Auflösung unter Berücksichtigung der Kopplung mit dem Vorflutersystem die hydrologischen und erosiven Prozesse simuliert. EPIC berechnet das Pflanzenwachstum wesentlich detaillierter als SWAT, benötigt aber sehr viele Eingangsdaten, die regional nur eingeschränkt vorliegen. Für eine Ausweisung von Hot Spots und einer regionalen Abschätzung der Bodendegradation ist daher eher SWAT geeignet. Für die mit SWAT ausgewiesenen kritischen Regionen können nachfolgend mit EPIC detaillierte Simulationen zum Ertrag und Pflanzenmanagement durchgeführt werden. Zwischen den Modellen werden Boden- und Pflanzenparameter für Szenarienrechnungen ausgetauscht, eine Modellkopplung im eigentlichen Sinne findet nicht statt. Die Ergebnisse beider Modelle werden im Zusammenhang interpretiert und mit „Stakeholdern“ diskutiert.

a) Erosionsmodellierung mit SWAT

Mittels des zeitkontinuierlichen, semi-distributiven, konzeptionellen Modells SWAT („soil water assessment tool“) wird auf Grundlage der hydrologischen Prozesse und der semi-empirischen „modified unified soil loss equation“ der Bodenabtrag für das gesamte Einzugsgebiet des oberen Ouémé berechnet. Aus dem Bodenabtrag wird der Verlust an Oberboden und Bodenfruchtbarkeit abgeschätzt. Die IMPETUS-Szenarien werden mittels Landnutzungskarten und Klimadaten in das kalibrierte und validierte Erosionsmodell implementiert. Wenn die landwirtschaftlichen Flächen pro Kommune mit Anteilen der Ackerfrüchte und einer dominanten Fruchtfolge parametrisiert werden, können mit SWAT auch regionale Pflanzenmanagementszenarien im Hinblick auf die Erosion gerechnet werden.

Räumliche Auflösung: Regionalskala, obere Ouémé-Einzugsgebiet und Teileinzugsgebiete

Zeitliche Auflösung: Tageswerte mit Möglichkeiten zu Langzeitsimulationen

b) Ertragsmodellierung mit EPIC

Durch das konzeptionelle Modell EPIC (früher „Erosion-Productivity-Impact-Calculator“, heute „Environmental-Policy-Integrated Climate“) werden alle relevanten biophysikalischen Prozesse eines Agrarökosystems in einzelnen Teilmodulen erfasst. Die Modellierung der Ernteerträge erfolgt für vier der wichtigsten Feldfrüchte in Benin: Mais, Yams, Sorghum und Maniok. Die in EPIC für US-amerikanische Verhältnisse enthaltenen Feldfrüchte Sorghum, Mais und Maniok werden für beninische Bedingungen parametrisiert, Yams dagegen ist neu in das Modell zu integrieren. Für das auf Feldskala kalibrierte und validierte Modell werden die IMPETUS-Szenarien angewandt und anschließend über ein GIS aktuelle und zukünftige Ertragsabschätzungen für das obere Ouémé-Einzugsgebiet getroffen.

Räumliche Auflösung: Feldskala

Zeitliche Auflösung: Tageswerte mit Möglichkeiten zu Langzeitsimulationen

Damit in Zusammenhang stehendes SDSS/IS/MT

SDSS « Protection du sol et durabilité des ressources agricoles dans le bassin versant de l'Ouémé » (PEDRO)