Das Bodenprozeßmodell CANDY
Das Simulationssystem CANDY (CArbon and Nitrogen DYnamics) wurde entwickelt, um die Dynamik des Kohlenstoff - und Stickstoffumsatzes im Boden sowie der Bodentemperatur und des Bodenwassergehaltes als eindimensionale Prozesse für ein Bodenprofil bis zu einer Tiefe von 2 Metern zu beschreiben. Dieses Profil ist gedanklich aufgeteilt in 20 homogene Bodenschichten von 10 cm Dicke. Das Standardsystem besteht aus einem in eine Bedieneroberfläche eingebetteten Simulationsmodell und umgebenden Datenbanken, die Informationen zu den erforderlichen Parametern, zum Modellantrieb sowie zu Anfangswerten und eventuell vorhandenen ergänzenden Meßreihen enthalten.
Zur Kopplung an das ESS-System wurde CANDY aus der ‘normalen’ Simulationsumgebung gelöst und in Form einer Laufzeitbibliothek (DLL) zur Verfügung gestellt. Über diese Bibliothek steht dem aufrufenden Programm einen Modul zur Beschreibung der Bodenprozeßdynamik in Tagesschritten zur Verfügung.
Innerhalb dieses Moduls werden folgende Teilprozesse beschrieben:
- Bodenwasserdynamik (Evapotranspiration, Versickerung) ,
- Bodentemperaturdynamik (Oberflächentemperatur, Wärmeleitung im Boden) ,
- Auswirkung von Bewirtschaftungsmaßnahmen ,
- Umsatz (Mineralisierung und Humifizierung) von organischer Substanz und
- Stickstoffdynamik (Mineralisierung, Immobilisierung, Auswaschung, gasf. Verluste).
Das Bodenprofil wird dabei in homogene Schichten von jeweils 10 cm unterteilt. Jede Bodenschicht wird durch die Parameter Trockenrohdichte, Trockensubstanzdichte, permanenter Welkepunkt, Feldkapazität und Feinanteilgehalt (Ton + Feinschluffgehalt) und dem daraus abgeleiteten Versickerungsparameter l beschrieben. Gleiche Bodenschichten werden zu Horizonten zusammengefaßt. Die Simulation erfolgt für Teilflächen, die hinsichtlich der Angaben zu Startwerten, physikalischen Bodenparametern, Wetter- und Bewirtschaftungsdaten als homogen angesehen werden können.
Modellierung der Bodenprozesse
C-N-Dynamik
Die organische Bodensubstanz (OBS), die in ihren ökosystemaren Wirkungen sehr gut über die Elemente Kohlenstoff ( C ) und Stickstoff ( N ) abgebildet werden kann, spielt eine zentrale Rolle bei der Modellierung der Bodenprozesse. Einerseits unterliegt die OBS Umsatzprozessen und beeinflußt so die Nährstofftransformation. Andererseits sind die meisten Bodenparameter vom Kohlenstoffgehalt des Bodens abhängig, so daß die OBS auch den Ablauf der Prozesse beeinflußt.
Im Modell wird die organische Bodensubstanz in verschiedene Pools aufgeteilt, die sich in ihren Eigenschaften und zulässigen Umwandlungsreaktionen unterscheiden. So wird die Menge organischer Substanzen (OS) im Boden entweder der organischen Bodensubstanz (OBS) oder der organischen Primärsubstanz (OPS) zugeordenet. Der OPS-Pool enthält alle organischen Dünger sowie Ernte-und Wurzelrückstände. Die OBS ist aus der OPS durch mikrobielle Umsatzprozesse entstanden. Sie wird in einen inerten und einen umsetzbaren Pool gegliedert, wobei der inerte Anteil in den Betrachtungen des OS-Umsatzes unberücksichtigt bleibt.
Die umsetzbare Form teilt sich wiederum in den Pool der aktiven organischen Substanz (AOS) und in den der stabilisierten Form (SOS). Beide unterscheiden sich in den Zeitkonstanten ihrer Autolyse sowie in der Reaktionsabfolge bezüglich der Nähe zum OPS-Pool.
Der Zusammenhang zwischen den einzelnen Fraktionen der organischen Substanz wird durch folgende Grafik veranschaulicht:

Zusammenhang der einzelnen Fraktionen der organischen Substanz im Modell CANDY
Der Bodenstickstoff wird im Modell in den durch das C/N-Verhältnis bestimmten organischen Anteil sowie den anorganischen Anteil Nitrat-N und Ammonium-N unterschieden.

Zustandsgrößen im C-N-Modul zu CANDY sind die Kohlenstoffkonzentrationen in den Pools AOS und SOS, Nitrat-N und Ammonium-N für 20 als homogen angenommene 10 cm dicke Bodenschichten sowie bis zu 6 verschiedene Arten von OPS.