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Doctoral Thesis
2009
Validation and evaluation of the DNDC model to simulate soil water content, mineral N and N₂O emission in the North China Plain
Validation and evaluation of the DNDC model to simulate soil water content, mineral N and N₂O emission in the North China Plain
Abstract (English)
Using measured datasets (various soil properties, the soil water content, daily N₂O emissions, and different crop parameters) from a multi-factorial field experiment (N fertilisation, irrigation, and straw removal) in the years 1999-2002 on the experimental site Dong Bei Wang (DBW) in the North China Plain (NCP), the ability of the process-oriented model DNDC (DeNitrification-DeComposition) was tested to simulate soil processes, and especially N₂O trace gas emissions. The soil is classified as ?calcaric cambisol? (16 % clay content), while the site itself is further characterised by the regime of a continental monsoon climate.
The central hypothesis in this work was that a thorough testing of the model (using a considerable range of different datasets) will allow the identification of shortcomings or discrepancies in the model, and that, given the linear succession of model calculation steps, the model calculation can be improved step by step, starting with improvements of initial calculation steps before continuing the improvement of following calculation steps.
Due to increases in the N₂O atmospheric concentration, and a lifetime of 100 to 150 years for one molecule (as well as a global warming potential 32 times that of a CO₂ molecule), N₂O is estimated to account for 7.9 % of the global warming potential. 70 % ? 90 % of the anthropogenic N₂O emissions are thought to origin from agriculture. The formation of nitrous oxide is dependent on the availability of reactive nitrogen, and, therefore, mainly influenced by the N fertilisation rate, fertiliser type, application timing and method. China, and the main cropping area NCP, are expected to contribute considerably to the anthropogenic N₂O emissions.
The DNDC model consists of two compartments, which first calculate soil temperature, moisture, pH, redox potential and substrate concentration profiles from climate, soil, vegetation and anthropogenic activity datasets, and in a second step NO, N₂O, CH4 and NH3 fluxes. In accordance with the data availability, the simulation of the soil water content, the mineral nitrogen concentration, and the N₂O fluxes were investigated. An automated parameter optimisation (using the software UCODE_2005) and programmed changes in the source code were conducted to improve the model simulations.
In result, neither the automated parameter optimisations, nor the programmed changes, were able to improve the unsatisfying default simulations of the DNDC model. The results of the cascade model, employed by the DNDC model to simulate soil water dynamics, suggest that conceptual errors exist in the model calculation. Also the results of the mineral nitrogen and N₂O emissions simulations suggest shortcomings in the model calculation.
The best agreement between measured and simulated total cumulative N₂O fluxes was achieved using an adapted (90 cm soil depth, adjusted SOC fractioning, and added atmospheric N deposition) default model version, despite unsatisfactory simulations of soil water content, mineral nitrogen, and daily N₂O fluxes. Thus, in conclusion, the investigated DNDC model version appears to be able to give an approximation of seasonal N₂O fluxes, without being able to simulate the underlying processes accurately in detail. Therefore, caution is suggested when modelling sites on the process level.
Abstract (German)
Die Messergebnisse (generelle Bodenparameter, Bodenwassergehalt, tägliche N₂O Emissionen, sowie verschiedene Pflanzenparameter) eines multifaktoriellen Feldversuchs (Stickstoffdüngung, Bewässerung und die Entfernung von Getreidestroh nach der Ernte) in den Jahren 1999-2002, erstellt auf der Versuchsfläche Dong Bei Wang in der Nordchinesischen Tiefebene, wurden verwendet um die Genauigkeit des Prozess-orientierten Simulationsmodells DNDC (DeNitrification-DeComposition) zu untersuchen. In diesem Sinne standen die Simulation von Bodenprozessen, und insbesondere die Simulation von N₂O Treibhausgas-Emissionen, im Mittelpunkt der Arbeit. Der Boden der Versuchsfläche ist klassifiziert als ?kalkiger Cambisol? (16% Tongehalt), eine weitere charakteristische Eigenschaft des untersuchten Bodens ist der Einfluss des kontinentalen Monsun-Klimas. Zentrale Hypothese der Arbeit war, dass die schrittweise Verbesserung einzelner (möglicherweise) fehlerhafter Kalkulationsschritte es erlauben würde, am Ende eine Übereinstimmung zwischen simulierten und gemessenen Bodenprozess-Datensätzen zu erzielen.
Der Anstieg der atmosphärischen N₂O Konzentration, die geschätzte Lebensdauer von 100 bis 150 Jahren eines N₂O Moleküls (und einem Treibhauspotential, welches das 32-fache des Treibhauspotentials eines CO₂ Moleküls beträgt), führen zu der Schätzung dass N₂O Emissionen für ca. 7.9 % des gesamten Treibhauspotentials verantwortlich sind. Es wird erwartet das 70 % ? 90 % dieser N₂O Emissionen aus der Landwirtschaft stammen. Die Menge des emittierten N₂Os wird bestimmt durch die Verfügbarkeit von reaktiven Stickstoffverbindungen, und ist damit abhängig von Stickstoff-Düngemengen, Düngertyp, Ausbringungstermin und ?methode. China gilt, und hier insbesondere das Hauptanbaugebiet Nordchinesische Tiefebene, als eine der Hauptquellen menschlich verursachter N₂O Emissionen.
Das DNDC model besteht aus zwei Teilen, in denen zuerst (aus Eingabewerten von Wetter, Boden, Vegetation und menschlichen Aktivitäten) Bodentemperatur, Bodenfeuchtigkeit, den pH Wert, das Boden Redox Potential, sowie Substratkonzentrationen im Bodenprofil, und in einem zweiten Schritt NO, N₂O, CH4 und NH3 Flüsse berechnet werden. In Übereinstimmung mit der Datenverfügbarkeit wurden die Simulation des Bodenwassergehalts, des Stickstoffhaushalts und der N₂O Flüsse überprüft. Eine automatisierte Parameter Optimierung (mit Hilfe der Software UCODE_2005) und programmierte Änderungen im DNDC Quellcode wurden genutzt um die Modellsimulationen zu verbessern.
Im Ergebnis führten aber weder die automatisierte Parameter Optimierung, noch die programmierten Änderung zu einer Verbesserung der unzulänglichen Simulationsergebnisse des DNDC Modells. Die Resultate des Kaskaden-Modell, welches im DNDC Modell für die Simulation des Bodenwasserhaushalts zuständig ist, legen die Existenz grundlegender Fehler in der Berechnung nahe. Die Resultate der Simulation des Stickstoffhaushalts und der N₂O Emissionen deuten ebenfalls auf Unzulänglichkeiten in der Modellberechnung.
Die beste Übereinstimmung zwischen gemessenen und simulierten saisonalen N₂O Emissionsraten wurde mit einer adaptierten DNDC Version erreicht (90 cm Bodentiefe, angepasste Fraktionierung des organischen Kohlenstoffgehalts und hinzugefügter atmosphärischer Stickstoffablagerung), allerdings basierend auf einer äußerst ungenauen Simulation des Bodenwassergehalts, des Stickstoffhaushalts und der täglichen N₂O Emissionen. Deswegen muss geschlussfolgert werden, dass das Modell nicht in der Lage ist die Bodenprozesse auf dem Untersuchungsstandort detailgetreu nachzustellen, und dass Vorsicht geboten ist wenn das Modell zur Simulation der Bodenprozesse anderer Standorte eingesetzt wird. Es bleibt allerdings die Möglichkeit, das DNDC Modell zur Simulation von saisonalen N₂O Emissionsraten in hypothetischen Situationen und zur Berechnung von regionalen N₂O Emissionsraten zu verwenden.
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2009-07-05
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English
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Classification (DDC)
630 Agriculture