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The process based soil erosion simulation model EROSION 3D is applied on regional scale for the federal state of Saxony/Germany. This survey is aimed on modeling soil loss, sediment transport, deposition resp. the input of particle attached nutrient and pollutant input into surface water bodies for 10years storm event and three land use scenarios. The available region-wide geo-data were preprocessed to be used in the parameterization interface DPROC. This software has been extended to parameterize large areas as well as small catchments. The basis of parameterization is a relational data base consisting of measured or estimated specific model soil parameters. These values have been derived by heavy rainfall simulation experiments below field conditions. The data base has been extended by the new results, which cover different soil tillage practices. The new experiments were conducted with a newly developed methodology. The experimental results show a significant relation of soil loss from the mechanical impact due to soil tillage. Only the non-tillage practice is able to protect soils efficiently from erosional soil losses. In order to describe particle attached nutrient and pollutant transport, soil samples were analyzed determining the element content of different particle fractions. The regional scale simulations identify the Saxonian Loess Belt as hotspot of soil erosion. However considerable amounts can also be expected in certain areas of the low mountain range. Particle attached element inputs into surface water bodies correspond to main sediment delivery areas. The amounts of erosional soil losses could be reduced to 90 % in case of consequently and area-wide transformation to conservation tillage practices. The calculated phosphorous inputs into surface waters on catchment scale are proofed to be valid. Compared to empirical based phosphorous and heavy metal yields the results in this study exceed this findings by a wide range. The differences are caused by lacking an event based consideration, which disregards system maximal impacts. Since erosion is an exclusive non continuous process, those maximal impacts are highly relevant and have to be considered in case of planning and execution of erosion and water protection concepts.:Inhaltsverzeichnis I Abbildungsverzeichnis V Tabellenverzeichnis IX Abkürzungsverzeichnis XI Symbole und Einheiten XIII Zusammenfassung XV Abstract XVI 1 Einleitung 1 1.1 Motivation 1 1.2 Aufbau der Arbeit 4 1.3 Stand der Forschung 6 1.3.1 Prozesse und Skalen der Bodenerosion 6 1.3.2 Einflussgrößen der Bodenerosion 8 1.3.3 Erosionsschäden 13 1.3.4 Gesetzliche Regelungen zum Erosionsschutz 15 1.3.5 Erosionsmodellierung 16 1.3.6 Niederschlagssimulationen zur Parametererfassung 25 1.3.7 Kornfraktionsspezifische Verteilung partikelgebundener Nähr- und Schadstoffe 27 2 Material und Methoden 30 2.1 Untersuchungsgebiet 30 2.1.1 Allgemeine Charakteristik 30 2.1.2 Flächennutzung 31 2.1.3 Boden und Relief 31 2.1.4 Gewässer 33 2.1.5 Klima 34 2.1.6 Planungsebenen 34 2.2 Simulationsmodell EROSION 3D 36 2.2.1 Modellgrundlagen 36 2.2.2 Modellalgorithmen 39 2.2.3 Modellparameter 48 2.3 Parametrisierungsinterface DPROC 50 2.3.1 Programmgrundlagen 50 2.3.2 Datenbank 51 2.3.3 Flächenauswahl und Datenzuschnitt 53 2.4 Experimentelle Untersuchungen 56 2.4.1 Untersuchungsstandorte 56 2.4.2 Durchführung von Erosionsexperimenten mit Starkregensimulation 59 2.4.3 Parameterableitung 62 2.4.4 Korrektur- und Erweiterung der DPROC-Datenbank 65 2.5 Ermittlung der Phosphor- und Schwermetalleinträge in Oberflächengewässer 68 2.5.1 Regionalisierung und Validierung amtlicher Datenquellen 68 2.5.2 Probenahmen und Laboranalysen 68 2.5.3 Bestimmung der kornfraktionsspezifischen Phosphor- und Schwermetallgehalte 70 2.5.4 Ermittlung der Phosphor- und Schwermetalleinträge in Oberflächengewässer unter Verwendung der Simulationsergebnisse 71 2.6 Statistische Auswertung der experimentellen Daten 73 2.7 GIS-Daten und Datenaufbereitung 74 2.7.1 Reliefdaten 74 2.7.2 Bodendaten 75 2.7.3 Landnutzung und Bodenbearbeitung 75 2.7.4 Niederschlagsdaten 77 2.7.5 Andere Flächendaten 78 2.8 Simulationsrechnungen 79 2.8.1 Aufteilung in Untereinheiten 79 2.8.2 Szenarien 79 2.9 Risikoabschätzung 81 2.9.1 Landwirtschaftliche Nutzflächen 81 2.9.2 Oberflächengewässer 82 2.10 Modellvalidierung 84 2.10.1 Gebietsauswahl und Gebietscharakteristik 84 2.10.2 Datengrundlagen der Modellvalidierung 85 2.10.3 Modellparametrisierung 86 3 Ergebnisse 90 3.1 Experimentelle Ergebnisse 90 3.1.1 Starkregensimulationen 90 3.1.2 Ableitung sachsenweiter kornfraktionsspezifischer Stoffgehalte 91 3.2 Ergebnisse aus GIS-Operationen 98 3.2.1 Reliefdaten 98 3.2.2 Landnutzungsdaten 98 3.2.3 Andere GIS-Daten 99 3.3 Ergebnisse aus Simulationsrechnungen 105 3.3.1 Landwirtschaftliche Nutzflächen 105 3.3.2 Oberflächengewässer 112 3.4 Ergebnisse zur Modellvalidierung 126 3.4.1 Aus Messdaten abgeleitete Ergebnisse 126 3.4.2 Simulationsrechnungen zur Modellvalidierung 130 4 Diskussion 132 4.1 Experimentelle Ergebnisse 132 4.1.1 Messdaten 132 4.1.2 Abgeleitete Daten 135 4.1.3 Zusammenfassende Bewertung der experimentellen Daten 141 4.1.4 Kornfraktionsspezifische Stoffgehalte und -verteilungen 142 4.2 GIS-Daten 145 4.2.1 Reliefdaten 145 4.2.2 Bodendaten 145 4.2.3 Landnutzungsdaten 146 4.2.4 Regionalisierte Stoffgehalte 147 4.3 Weiterentwicklung und Korrektur der DPROC-Datenbank 149 4.4 Modellvalidierung 153 4.5 Simulationsrechnungen 156 4.5.1 Bodenabtrag und Deposition 156 4.5.2 Sediment- und partikelgebundener Stofftransport 163 5 Schlussfolgerung 170 6 Literatur 176 Anhang II A I Erosionsmodelle i A II DPROC-Übersetzungstabellen ii A III GIS-Daten viii A IV Interpolierte Oberboden-Schwermetallgehalte xii A V Daten der Starkregensimulationen xix A VI Elementgehalte der Bodenproben lxi A VII Simulationsrechnungen lxxi / In der vorliegenden Arbeit wird das prozessbasierte Erosionsprognosemodell EROSION 3D flächendeckend auf regionaler Ebene für den Freistaat Sachsen angewendet. Ziel der Untersuchungen ist es, Bodenabtrag, Sedimenttransport und -deposition bzw. den Eintrag partikelgebundener Nähr- und Schadstoffe in Oberflächengewässer für ein 10jähriges Starkniederschlagsereignis und drei verschiedene Landnutzungsszenarien zu beschreiben. Dazu wurden im Vorfeld verfügbare Geo-Basisdaten so aufbereitet, dass sie für die semiautomatische Parametrisierung mit der Software DPROC verwendet werden können. Diese Software wurde so erweitert, dass sowohl größere Einzugsgebiete als auch einzelne Teileinzugsgebiete parametrisiert werden können. Grundlage der Parametrisierung bildet eine relationale Datenbank, die auf Messwerten bzw. davon abgeleiteten Schätzwerten aus Starkregenexperimenten unter Feldbedingungen basiert. Der vorhandene Datenfundus wurde durch neue Ergebnisse zu verschiedenen Verfahren der ackerbaulichen Bodenbearbeitung mittels neu entwickelter Methodik korrigiert und erweitert. Die experimentellen Ergebnisse zeigen eine deutliche Abhängigkeit des Feststoffaustrages von der Eingriffsintensität bei der Bodenbearbeitung. Dabei ist die Direktsaat die einzige Bewirtschaftungsform, die den Boden effektiv vor Erosion schützt. Um den selektiven partikelgebundenen Nähr- und Schadstofftransport prozessbasiert abzuschätzen, wurden die Stoffgehalte für die Partikelfraktionen Sand, Schluff und Ton an Bodenproben bestimmt. Die regionalskalierten Simulationen identifizieren die sächsische Lössregion als Schwerpunkt der Bodenerosion in Sachsen. Beträchtliche Bodenabträge sind darüber hinaus in den sächsischen Mittelgebirgen zu erwarten. Partikelgebundene Stoffeinträge in Oberflächengewässer verteilen sich in Abhängigkeit von den Sedimentliefergebieten. Die Bodenumlagerungsprozesse einschließlich der damit verbundenen partikelgebundenen Stoffeinträge lassen sich bei konsequenter Umstellung auf konservierende Bewirtschaftungsmethoden entsprechend den Modellergebnissen um mehr als 90 % reduzieren. Im Rahmen der Modellvalidierung konnte die Zuverlässigkeit der berechneten Phosphorausträge auf Einzugsgebietsebene belegt werden. Verglichen mit empirisch basierten mittleren jährlichen Abschätzungen sind die in dieser Arbeit berechneten ereignisbezogenen Phosphor- und Schwermetallausträge um ein Vielfaches höher. Zurückzuführen sind diese Unterschiede vor allem darauf, dass bei den rein empirischen Ansätzen, die maximale Belastungsspitzen unberücksichtigt bleiben. Da Erosion stets ein diskontinuierlicher Prozess ist, sind diese Belastungsspitzen im höchsten Maße relevant und bei der Planung und Durchführung von Erosions- und Gewässerschutzkonzepten unbedingt zu berücksichtigen.:Inhaltsverzeichnis I Abbildungsverzeichnis V Tabellenverzeichnis IX Abkürzungsverzeichnis XI Symbole und Einheiten XIII Zusammenfassung XV Abstract XVI 1 Einleitung 1 1.1 Motivation 1 1.2 Aufbau der Arbeit 4 1.3 Stand der Forschung 6 1.3.1 Prozesse und Skalen der Bodenerosion 6 1.3.2 Einflussgrößen der Bodenerosion 8 1.3.3 Erosionsschäden 13 1.3.4 Gesetzliche Regelungen zum Erosionsschutz 15 1.3.5 Erosionsmodellierung 16 1.3.6 Niederschlagssimulationen zur Parametererfassung 25 1.3.7 Kornfraktionsspezifische Verteilung partikelgebundener Nähr- und Schadstoffe 27 2 Material und Methoden 30 2.1 Untersuchungsgebiet 30 2.1.1 Allgemeine Charakteristik 30 2.1.2 Flächennutzung 31 2.1.3 Boden und Relief 31 2.1.4 Gewässer 33 2.1.5 Klima 34 2.1.6 Planungsebenen 34 2.2 Simulationsmodell EROSION 3D 36 2.2.1 Modellgrundlagen 36 2.2.2 Modellalgorithmen 39 2.2.3 Modellparameter 48 2.3 Parametrisierungsinterface DPROC 50 2.3.1 Programmgrundlagen 50 2.3.2 Datenbank 51 2.3.3 Flächenauswahl und Datenzuschnitt 53 2.4 Experimentelle Untersuchungen 56 2.4.1 Untersuchungsstandorte 56 2.4.2 Durchführung von Erosionsexperimenten mit Starkregensimulation 59 2.4.3 Parameterableitung 62 2.4.4 Korrektur- und Erweiterung der DPROC-Datenbank 65 2.5 Ermittlung der Phosphor- und Schwermetalleinträge in Oberflächengewässer 68 2.5.1 Regionalisierung und Validierung amtlicher Datenquellen 68 2.5.2 Probenahmen und Laboranalysen 68 2.5.3 Bestimmung der kornfraktionsspezifischen Phosphor- und Schwermetallgehalte 70 2.5.4 Ermittlung der Phosphor- und Schwermetalleinträge in Oberflächengewässer unter Verwendung der Simulationsergebnisse 71 2.6 Statistische Auswertung der experimentellen Daten 73 2.7 GIS-Daten und Datenaufbereitung 74 2.7.1 Reliefdaten 74 2.7.2 Bodendaten 75 2.7.3 Landnutzung und Bodenbearbeitung 75 2.7.4 Niederschlagsdaten 77 2.7.5 Andere Flächendaten 78 2.8 Simulationsrechnungen 79 2.8.1 Aufteilung in Untereinheiten 79 2.8.2 Szenarien 79 2.9 Risikoabschätzung 81 2.9.1 Landwirtschaftliche Nutzflächen 81 2.9.2 Oberflächengewässer 82 2.10 Modellvalidierung 84 2.10.1 Gebietsauswahl und Gebietscharakteristik 84 2.10.2 Datengrundlagen der Modellvalidierung 85 2.10.3 Modellparametrisierung 86 3 Ergebnisse 90 3.1 Experimentelle Ergebnisse 90 3.1.1 Starkregensimulationen 90 3.1.2 Ableitung sachsenweiter kornfraktionsspezifischer Stoffgehalte 91 3.2 Ergebnisse aus GIS-Operationen 98 3.2.1 Reliefdaten 98 3.2.2 Landnutzungsdaten 98 3.2.3 Andere GIS-Daten 99 3.3 Ergebnisse aus Simulationsrechnungen 105 3.3.1 Landwirtschaftliche Nutzflächen 105 3.3.2 Oberflächengewässer 112 3.4 Ergebnisse zur Modellvalidierung 126 3.4.1 Aus Messdaten abgeleitete Ergebnisse 126 3.4.2 Simulationsrechnungen zur Modellvalidierung 130 4 Diskussion 132 4.1 Experimentelle Ergebnisse 132 4.1.1 Messdaten 132 4.1.2 Abgeleitete Daten 135 4.1.3 Zusammenfassende Bewertung der experimentellen Daten 141 4.1.4 Kornfraktionsspezifische Stoffgehalte und -verteilungen 142 4.2 GIS-Daten 145 4.2.1 Reliefdaten 145 4.2.2 Bodendaten 145 4.2.3 Landnutzungsdaten 146 4.2.4 Regionalisierte Stoffgehalte 147 4.3 Weiterentwicklung und Korrektur der DPROC-Datenbank 149 4.4 Modellvalidierung 153 4.5 Simulationsrechnungen 156 4.5.1 Bodenabtrag und Deposition 156 4.5.2 Sediment- und partikelgebundener Stofftransport 163 5 Schlussfolgerung 170 6 Literatur 176 Anhang II A I Erosionsmodelle i A II DPROC-Übersetzungstabellen ii A III GIS-Daten viii A IV Interpolierte Oberboden-Schwermetallgehalte xii A V Daten der Starkregensimulationen xix A VI Elementgehalte der Bodenproben lxi A VII Simulationsrechnungen lxxi

Die Studie mit Fokus auf die Übernahme von Fischproduktion und konservierender Bodenbearbeitung (KB) in Sub-Sahara Afrika (SSA) verdeutlicht 1) die Komplexität von Übernahme- und Diffusionsprozessen landwirtschaftlicher Innovationen in SSA, vertieft 2) den Wissensstand zur Diffusion dieser zwei Innovationen und, leistet 3) einen Beitrag zur Entwicklung eines neuen methodischen Ansatzes für den Forschungsgegenstand. Neben der Darstellung der wesentlichen Konzepte und Literatur basieren die empirischen Daten auf semi-strukturierten Interviews, Fokusgruppendiskussionen, Teilnehmerbeobachtung und QAToCA, einem in der Studie entwickelten, partizipativen und expertenbasierten Bewertungsansatz. Die Ergebnisse zeigen, dass Fischzucht – speziell im Fall von Kamerun – eine attraktive Beschäftigung für mittelständische Landwirte ist. Zur weiteren Verbreitung dieser Innovation besteht jedoch Bedarf für 1) zielgerichtete Förderung mittelständischer Landwirte, 2) Verbesserung der Organisationsstruktur der Landwirte, 3) Stärkung des Beratungssystems, und 4) Verbesserung der Forschung für Jungfischaufzucht. Mit Anwendung von QAToCA für die Übernahme von KB zeigen die Ergebnisse i) hohes Übernahmepotential in Malawi, Sambia, Tansania, Kenia – aufgrund positiver institutioneller Faktoren, ii) geringes Übernahmepotential für Simbabwe – bezüglich der instabilen Marktlage, iii) geringes Übernahmepotential in Süd-Burkina Faso – aufgrund der Konkurrenz um Ernterückstände zwischen KB und Tierproduktion, und iv) hohes Übernahmepotential für Nord-Burkina Faso – was sich darauf zurückführen lässt, dass Alternativen zu KB nicht bestehen. Für eine anhaltende Übernahme landwirtschaftlicher Innovationen in SSA zeigt die Arbeit Handlungsbedarf auf für 1) Berücksichtigung des Bedarfs für neue Absatzmärkte, 2) Anpassung von Innovationen an bestehende Managementstrukturen von Betrieben und, 3) Entwicklung von fördernden politischen und institutionellen Rahmenbedingungen auf Dorf- und Regionalebene. / Focusing on adoption of Fish farming and Conservation Agriculture (CA) in sub-Saharan Africa (SSA), this study: 1) partly demonstrate that, the reality of adoption and diffusion of agricultural innovations in SSA is a more complex issue, 2) improve on the knowledge and understanding of diffusion for these two innovations in SSA and, 3) develop and contribute to a new methodological approach in this field of study. Apart from reviewing concepts and relevant literature, empirical data for this work was obtained by using semi structured interviews, focus group discussions and participant observation alongside a participatory expert-based assessment approach (QAToCA) - developed within this work. Results revealed that, Fish Farming especially for the case of Cameroon remains an attractive activity for medium-scale farmers. However for a sustained adoption of this innovation, there is need for 1) targeted support to medium-scale farmers, 2) improving organisational structures of farmers, 3) strengthening the fragile extension system, and, 4) improving research on fingerlings production. Following application of QAToCA in assessing CA adoption, results reveal i) high adoption potential for Malawi, Zambia, Tanzania, Kenya - explained by presence of positive institutional factors, ii) low adoption potential for Zimbabwe - attributed to unstable and less secured market conditions, iii) low adoption potential for Southern Burkina Faso - explained by strong competition of CA with livestock over residue, and iv) high adoption potential for northern Burkina Faso - explained by the fact that farmers have no alternative than to adopt CA. For long lasting adoption of agricultural innovations in SSA, this work calls for 1) addressing emerging needs for new input and output market outlets, 2) adapting innovations to existing management structures of adopting farms and, 3) developing a supportive political and institutional frame condition at village and regional levels.

Das Ziel dieser Arbeit war es, die Auswirkungen verschiedener Bodennutzungssysteme auf ausgewählte physiko-chemische Bodeneigenschaften und pflanzenbauliche Parameter auf sandigen Böden auf den Dauerfeldversuchsflächen in Berlin-Dahlem und Dedelow zu untersuchen. Ein erster Arbeitsschwerpunkt am Standort Berlin-Dahlem bestand darin, die Wirkungen verschiedener Bodenbearbeitungstiefen (17 cm und 28 cm) in Abhängigkeit der drei Faktorstufen - mit und ohne Kalkdüngung, mit und ohne Stallmistdüngung, flache und tiefe Bodenbearbeitung - zu ermitteln. Im zweiten Arbeitsschwerpunkt wurden in einer fünffeldrigen Fruchtfolge am Standort Dedelow Vergleiche verschiedener Verfahren der konventionellen und konservierenden Bodenbearbeitung und deren Effekte untersucht. Die Durchdringungswiderstandmessungen in Berlin-Dahlem zeigten nach langjähriger Bodenbearbeitung höhere Bodenfestigkeitswerte in der tieferen Bodenbearbeitungsvariante als in der flachen Variante. Die wasserstabilen Aggregate in Berlin-Dahlem wiesen in der flachen Bodenbearbeitung höhere Werte auf. Die ermittelten Wasserspeicherkurven in Berlin-Dahlem zeigten in der flachen Bodenbearbeitungsvariante für die ausgewählten Parzellen in 10-15 cm Bodentiefe im Vergleich zu der tieferen Variante tendenziell höhere nutzbare Feldkapazitätswerte. In Dedelow zeigten die Wasserretentionskurven unter verschiedenen Bodenbearbeitungsverfahren unregelmäßige Streuungen auf. Die höchsten Gesamtkohlenstoffgehaltswerte wurden in der flachen Bodenbearbeitung unter dem Prüfglied „mit Kalk- und mit Stallmist“ gedüngten Parzellen erzielt. In Dedelow zeigten die Gesamtkohlenstoffgehalte zwischen konservierender und konventioneller Bodenbearbeitung in 10-15 cm Bodentiefe kaum Unterschiede. Der Einfluss von Düngung und Bodenbearbeitungstiefen auf den Kornertrag bei Hafer war mit einem Ertrag von 29,2 dt ha-1 am stärksten am Standort Dedelow in der tiefen Bodenbearbeitung unter dem Prüfglied „mit Kalk- und ohne Stallmistdüngung“. / On the basis of various long-term field trials it was the goal to investigate the influence of different tillage systems on soil physical, soil chemical and crop parameters on sandy loamy locations in Berlin-Dahlem and Dedelow. The first focus of the work in Berlin-Dahlem was to investigate the effects between different tillage depths (17 cm and 28 cm) and the selected factors “with and without liming”, “with and without manure fertilization” and “shallow and deep tillage”. The second focus was on a five-field crop rotation site in Dedelow to compare different methods of conventional and conservation tillage and their effects. The penetration resistance values in Berlin-Dahlem showed after long-time tillage in the deep soil tillage system higher compactions compared to shallow tillage systems. The soil aggregate stability values in Berlin-Dahlem showed in the shallow tillage higher values. The obtained soil water retention curves in Berlin-Dahlem showed an increase of the available water capacity for the selected plots in the shallow soil tillage system compared to the deep tillage system in the 10 - 15 cm soil depth. The soil water retention curves showed irregular variations under the different tillage systems in Dedelow. The highest total carbon content were observed in the shallow tillage system in the "with lime and with farmyard manure" treatments. In general, however, the total carbon content predominate nearly the same amounts in 10 - 15 cm soil depth in both conservation and conventional tillage systems in Dedelow. The influence of fertilization and tillage depth on grain yield in oats showed the maximum value as 29,2 dt ha-1 in the deep tillage system in the "with lime and without farmyard manure" treatments.

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Soil is an important ecosystem and at the same time filter and storage for water. With respect to flood and erosion prevention, it is important to improve water retention and infiltration rates in soils to reduce surface run-off. The aim of the study is to quantify the influence of biogenic macropores on infiltration. The effect of the cropping system and management practices on macropore density and infiltration rate was examined. Soil hydraulic conductivity was determined by soil column experiments and field investigations using a hood infiltrometer and rainfall-simulation experiments. Macropores have a great effect on hydraulic conductivity. A large macropore-density results in high infiltration rates. This relationship is described with the skinfactor, applying the Erosion-2D model to adjust infiltration rates. Conservative agricultural management practices show positive effects on earthworm population and hence macropore density. The beneficial effects of no-tillage include less soil disturbance, greater quantities of crop-residues remaining on the soil surface and increased soil moisture.

Soil is an important ecosystem and at the same time filter and storage for water. With respect to flood and erosion prevention, it is important to improve water retention and infiltration rates in soils to reduce surface run-off. The aim of the study is to quantify the influence of biogenic macropores on infiltration. The effect of the cropping system and management practices on macropore density and infiltration rate was examined. Soil hydraulic conductivity was determined by soil column experiments and field investigations using a hood infiltrometer and rainfall-simulation experiments. Macropores have a great effect on hydraulic conductivity. A large macropore-density results in high infiltration rates. This relationship is described with the skinfactor, applying the Erosion-2D model to adjust infiltration rates. Conservative agricultural management practices show positive effects on earthworm population and hence macropore density. The beneficial effects of no-tillage include less soil disturbance, greater quantities of crop-residues remaining on the soil surface and increased soil moisture.:Abkürzungs- und Symbolverzeichnis Tabellenverzeichnis Abbildungsverzeichnis Danksagung Summary 1 Einleitung 1.1 Motivation und Ziel der Arbeit 2 Stand des Wissens 2.1 Grundlagen zum Wasserfluss im Boden 2.1.1 Beschreibung des Infiltrationsprozesses im Boden 2.2 Definition des Begriffes Makropore, deren Entstehung und Einflüsse im Boden 2.2.1 Zusammenhang zwischen Bodenbearbeitung und dem Vorhandensein von Makroporen 2.2.2 Einfluss der Makroporen auf den Wasserfluss und die Infiltration 2.3 Ansätze zur Modellierung des Makroporenflusses 2.3.1 Dual-Porositäts-Modelle 2.3.2 Einfache empirische Schätzverfahren 3 Material und Methoden 3.1 Standorte 3.2 Geländeversuche 3.2.1 Erfassung bodenphysikalischer Parameter 3.2.2 Ermittlung der hydraulischen Leitfähigkeit 3.2.2.1 Haubeninfiltrometermessungen 3.2.2.2 Beregnungsversuche 3.2.3 Erfassung des Makroporensystems 3.3 Säulenversuche 3.3.1 Vorversuche 3.3.2 Experimente mit L. terrestris 3.3.3 Experimente mit künstlichen Makroporen 3.3.4 Experimente ohne Makroporen 3.4 Ableitung des Modellparameters Skinfaktor 4 Ergebnisse 4.1 Ergebnisse der Geländeversuche am Standort Lüttewitz 4.1.1 Bodenphysikalische Parameter 4.1.2 Beregnungsexperimente 4.1.3 Hydraulische Leitfähigkeit 4.1.4 Makroporensystem 4.1.5 Auswertung der Tracerversuche am Standort Lüttewitz 4.2 Ergebnisse der Geländeversuche Standort Oberwinkel 4.2.1 Bodenphysikalische Parameter 4.2.2 Beregnungsexperimente 4.2.3 Makroporensystem 4.2.4 Skinfaktorenermittlung 4.3 Ergebnisse aus den Säulenversuchen 4.3.1 Verteilung der Grabgänge 4.3.2 Messung der hydraulischen Leitfähigkeit 5 Interpretation und Diskussion der Ergebnisse 5.1 Experimente im Gelände 5.1.1 Vergleich der kf-Werte aus Haubeninfiltrometermessung und Beregnung 5.2 Auswertung und Interpretation der Ergebnisse aus den Säulenversuchen 5.3 Vergleich Makroporenkennwerte mit bodenhydrologischen Messgrößen 5.4 Vergleich Makroporenkennwerte mit Modellparametern 5.5 Einfluss der Bewirtschaftung 6 Zusammenfassung Literaturverzeichnis

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Stickstoffdüngung und Bodenbewirtschaftung sind die Hauptquellen für Treibhausgase aus Anbausystemen. Dennoch sind diese Maßnahmen in Ackerbaubetrieben unerlässlich. In Anbetracht der Notwendigkeit, rasch Maßnahmen gegen den Klimawandel zu ergreifen, ist es notwendig Minderungspotentiale und Kosten in diesen Betrieben zu ermitteln und vergleichen. Es wurden Fallstudien in den USA, in Brasilien und in Deutschland durchgeführt, wobei jeweils eine Kultur in jeder Region untersucht wurde. Wissenschaftliche Literatur und Fokusgruppen mit lokalen Experten wurden genutzt, um realistische Ergebnisse zu generieren, die den lokalen Kontext abbilden. Diese Arbeit zeigt, dass die Wirtschaftlichkeit der Minderungsstrategien von dem betrachteten Zeithorizont abhängt, der sich aus der Kohlenstoffdynamik im Boden ergibt. Kurzfristig bieten Strategien, die die Kohlenstoffbindung fördern, ein größeres Minderungspotenzial, was jedoch langfristig nicht zutrifft. Kurzfristig wurden in Brasilien und den USA die geringsten Minderungskosten durch die Optimierung der Stickstoffdüngung erreicht. Diese Kosten sind negativ, was bedeutet, dass die Anwendung dieser Strategien, nicht nur ihre Emissionen, sondern auch ihre Kosten senken würden. Weitere kosteneffiziente Strategien waren die Verringerung der Bodenbearbeitungsintensität und Zwischenfrüchte, die in allen Fällen mit vergleichbaren Minderungskosten durchführbar waren und die Kohlenstoffbindung fördern. Der Einsatz von Hemmstoffen schließlich, der in den USA und in Brasilien möglich war, hatte die höchsten Minderungskosten. Langfristig betrachtet stiegen die Minderungskosten von Strategien mit Kohlenstoffbindung an und waren ähnlich hoch oder höher als bei Strategien ohne Kohlenstoffbindung. Da in allen Fällen dieselbe Methodik angewandt wurde, sind die Ergebnisse vergleichbar. Darüber hinaus sind die Ergebnisse zwar spezifisch für den Kontext, in dem sie berechnet wurden, sie liefern jedoch Erkenntnisse für ähnliche Regionen. / Nitrogen fertilization and soil management are the main sources of greenhouse gases from cropping systems. Yet these operations are essential on arable farms. Considering the need to take quick action against climate change, it is necessary to understand which mitigation potentials and cost can be attained in these farms and how they compare. Case studies in the USA, Brazil and in Germany were conducted, assessing one crop in each region. Scientific literature and focus groups with local experts were used to generate realistic results which depict the local context. This thesis identified that the economics of the mitigation strategies depended on the time horizon considered, which results from the carbon dynamics in the soil. In the short term, strategies promoting carbon sequestration offer a larger mitigation potential, yet this is not valid in the long term. In the short term, the lowest mitigation costs were attained by optimizing the nitrogen rate, feasible in the USA and Brazil. These costs are indicated to be negative, implying that adopting the strategy would not only lower emissions, but also reduce their costs. The next most cost efficient strategies were the reduction of the tillage intensity and cover crops, which were feasible in all cases with comparable mitigation costs and promote carbon sequestration. Lastly, the adoption of inhibitors, feasible in the USA and in Brazil, had among the highest mitigation costs. Assuming the long term, the mitigation costs of strategies with carbon sequestration increased, becoming similar to or higher than strategies without carbon sequestration. By applying the same methodology in each case, the results are comparable. Moreover, while the findings are specific to the context in which they were calculated, they provide insights for similar regions.

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