Die Berücksichtigung der flächenhaften bodenhydraulischen Variabilität gilt bei der Modellierung von Wasser- und Stofftransportprozessen als problematisch. Dies liegt vorrangig an ihrer Erfassung, die kosten- und zeitintensiv ist. Die vorliegende Arbeit untersucht verschiedene Messstrategien, die zur Abbildung der flächenhaften Bodenhydraulik mit wenigen, einfach zu bestimmenden und physikalisch begründeten Bodenparametern führen. Die Vorgehensweise erfolgt mit der Anwendung eines Ähnlichkeitskonzeptes, das die Böden in bodenhydraulisch ähnliche Klassen unterteilt. Innerhalb einer Klasse kann die Variabilität der Retentions- und hydraulischen Leitfähigkeitcharakteristik auf einen freien Parameter (Skalierungsparameter) reduziert werden. Die Analyse der Zusammenhänge zwischen Boden- und Skalierungsparametern führt letztendlich zu den geeigneten Parametern die eine flächenhafte Abbildung möglich machen. Diese Untersuchungen bilden die Grundlage für die weitere Entwicklung eines stochastischen Modellansatzes, der die Variabilität der Bodenhydraulik bei der Modellierung des Bodenwassertransportes im Feldmaßstab berücksichtigen kann. An Hand von drei Datensätzen unterschiedlicher Skalenausbreitung konnte dieses Konzept angewendet werden. Die Ergebnisse zeigen, dass die Beschreibung der hydraulischen Variabilität nur für die vertikale (Profil) nicht aber für die flächenhafte Ausbreitung mit einfachen Bodenparametern möglich ist. Mit einer ersten Modellanwendung konnte gezeigt werden, dass über die Variabilität der Bodenparameter Trockenrohdichte und Tongehalt auch die Variabilität der Bodenhydraulik und damit die Berechnung des Bodenfeuchteverlaufs am Standort darstellbar ist. / The consideration of the spatial variability of the unsaturated soil hydraulic characteristics still remains an unsolved problem in the modelling of the water and matter transport in the vadose zone. This can be mainly explained by the rather cumbersome measurement of this variability, which is both, time-consuming and cost-intensive. The presented thesis analyses various measurement strategies which aim at the description of the soil-hydraulic heterogeneity by a small number of proxy-parameters, which should be easily measurable and still have a soil-physical meaning. The developed approach uses a similarity concept, which groups soils into similar soil hydraulic classes. Within a class, the variability of the retention and hydraulic conductivity curves can be explained by a single parameter (scaling parameter). The analysis of the correlation between the soil parameters and the scaling parameters can eventually indicate which soil parameters can be used for describing the soil hydraulic variability in a given area. This investigation forms the basis for the further development of a stochastic model, which can integrate the soil-hydraulic variability in the modelling of the soil water transport. Three data sets, all covering different scales, were subsequently used in the application of the developed concept. The results show that depth development of the soil-hydraulic variability in a soil profile can be explained by a single soil parameter. Contrarily, the explanation of the horizontal variability of the soil-hydraulic properties was not possible with the given data sets. First model applications for a soil profile showed that including the variability of the soil parameters bulk density and clay fraction in the water transport simulations could describe the variability of the soil-hydraulic variability and thus, the dynamics of the soil water content at the investigated profile.

Die Berücksichtigung der flächenhaften bodenhydraulischen Variabilität gilt bei der Modellierung von Wasser- und Stofftransportprozessen als problematisch. Dies liegt vorrangig an ihrer Erfassung, die kosten- und zeitintensiv ist. Die vorliegende Arbeit untersucht verschiedene Messstrategien, die zur Abbildung der flächenhaften Bodenhydraulik mit wenigen, einfach zu bestimmenden und physikalisch begründeten Bodenparametern führen. Die Vorgehensweise erfolgt mit der Anwendung eines Ähnlichkeitskonzeptes, das die Böden in bodenhydraulisch ähnliche Klassen unterteilt. Innerhalb einer Klasse kann die Variabilität der Retentions- und hydraulischen Leitfähigkeitcharakteristik auf einen freien Parameter (Skalierungsparameter) reduziert werden. Die Analyse der Zusammenhänge zwischen Boden- und Skalierungsparametern führt letztendlich zu den geeigneten Parametern die eine flächenhafte Abbildung möglich machen. Diese Untersuchungen bilden die Grundlage für die weitere Entwicklung eines stochastischen Modellansatzes, der die Variabilität der Bodenhydraulik bei der Modellierung des Bodenwassertransportes im Feldmaßstab berücksichtigen kann. An Hand von drei Datensätzen unterschiedlicher Skalenausbreitung konnte dieses Konzept angewendet werden. Die Ergebnisse zeigen, dass die Beschreibung der hydraulischen Variabilität nur für die vertikale (Profil) nicht aber für die flächenhafte Ausbreitung mit einfachen Bodenparametern möglich ist. Mit einer ersten Modellanwendung konnte gezeigt werden, dass über die Variabilität der Bodenparameter Trockenrohdichte und Tongehalt auch die Variabilität der Bodenhydraulik und damit die Berechnung des Bodenfeuchteverlaufs am Standort darstellbar ist. / The consideration of the spatial variability of the unsaturated soil hydraulic characteristics still remains an unsolved problem in the modelling of the water and matter transport in the vadose zone. This can be mainly explained by the rather cumbersome measurement of this variability, which is both, time-consuming and cost-intensive. The presented thesis analyses various measurement strategies which aim at the description of the soil-hydraulic heterogeneity by a small number of proxy-parameters, which should be easily measurable and still have a soil-physical meaning. The developed approach uses a similarity concept, which groups soils into similar soil hydraulic classes. Within a class, the variability of the retention and hydraulic conductivity curves can be explained by a single parameter (scaling parameter). The analysis of the correlation between the soil parameters and the scaling parameters can eventually indicate which soil parameters can be used for describing the soil hydraulic variability in a given area. This investigation forms the basis for the further development of a stochastic model, which can integrate the soil-hydraulic variability in the modelling of the soil water transport. Three data sets, all covering different scales, were subsequently used in the application of the developed concept. The results show that depth development of the soil-hydraulic variability in a soil profile can be explained by a single soil parameter. Contrarily, the explanation of the horizontal variability of the soil-hydraulic properties was not possible with the given data sets. First model applications for a soil profile showed that including the variability of the soil parameters bulk density and clay fraction in the water transport simulations could describe the variability of the soil-hydraulic variability and thus, the dynamics of the soil water content at the investigated profile.

Für die ortsspezifische Düngung spielt die räumliche Erfassung von ertragsrelevanten Standorteigenschaften (z.B. Textur und Nährstoffnachlieferungsvermögen) eine große Rolle bei der Bemessung der Düngungsempfehlung. Durch die Berücksichtigung der schlaginternen Variabilität ist eine abgestufte standortangepasste Bewirtschaftung möglich. Auf fünf ackerbaulich genutzten Schlägen in verschiedenen Bodenregionen Deutschlands wurden räumliche und zeitliche Untersuchungen zur vertikalen und horizontalen Mineralstickstoffverteilung in Rasterform durchgeführt. Mit Hilfe des N-Modells HERMES wurden Simulationsrechnungen zur N-Dynamik durchgeführt und anhand des volumetrischen Wassergehalts, des Ertrags und des mineralischen Stickstoffgehalts überprüft. Als Referenz dienten die Daten aus der Rasterbeprobung. Die Vergleiche zwischen den simulierten und gemessenen Werten zeigen beim volumetrischen Wassergehalt, beim Ertrag und beim mineralischen Stickstoff auch über mehrere Vegetationsperioden hinweg eine gute Übereinstimmung bei den Mittelwerten, so dass man die Modellergebnisse auch für die N-Düngungsempfehlung herangezogen hat. Datensätze der Reichsbodenschätzung und der digitalen Hofbodenkarte wiesen im Gegensatz zur kleinräu­migen Rasterbeprobung keine ausreichende Genauigkeit bei den räumlichen Verteilungsmustern der ertragsrelevanten Standortgrößen auf und sind demnach nicht als Planungsgrundlage für die ortsspezifische Düngung geeignet. Über Szenariorechnungen lassen sich verschiedene Düngungsvarianten (wie einheitlich und ortsspezifisch gedüngte Variante) für identische Flächen direkt miteinander vergleichen. Die Ergebnisse zeigten beim Einsatz des preagro-N Moduls über drei Vegetationsperioden (2000 bis 2002) ein Einsparungspotential bei der ortsspezifischen Düngung von durchschnittlich 4 %, bei Verwendung der Modellempfehlungen (HERMES) sogar von durchschnittlich 18 % gegenüber der einheitlichen Variante ohne Ertragsdepressionen beführten zu müssen. / For the site-specific fertilization plays the spatial variability of soil parameters (such as texture) an important role for the calculation of fertilizer recommendation. In consideration of spatial variability is a gradual management in the field possible. The distribution of the vertical and horizontal soil mineral nitrogen patterns on five fields were investigated in different regions in Germany. Additionally these data were used for the validation of the nitrogen dynamics of the nitrogen crop growth model HERMES. The comparison between simulate and measurement data showed for the soil moisture, the grain yield and the mineral nitrogen over many vegetation periods good results by the average values. Under this situation is it possible to use simulation model for the nitrogen fertilizer recommendation. Simulations with data sets from the plot sampling (large scale soil map) compared against simulating using German Soil Appraisal or digital farm soil map data showed information losses. The temporal dynamic by soil mineral nitrogen content in the rooting zone and the spatial pattern by the grain yield show a much better agreement with observed values, if large scale data were used for the simulation. The results from the preagro-N model showed at site-specific part over three vegetation periods (2000 to 2002) an economize effect from average 4 % against the uniform fertilisation part. If we had used the fertilizer recommendation from the nitrogen crop growth model HERMES over the same time, the economize effect conducted average 18 % against the uniform fertilisation part without yield depression.

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