Meteorologische Ertragsanalyse

In der meteorologischen Ertragsanalyse wird der Einfluss meteorologischer Elemente auf den Ertrag landwirtschaftlicher Kulturen mathematisch-statistisch erfasst.

Ein wichtiger Einflussfaktor der Stoffproduktion und Ertragsbildung bei Kulturpflanzen ist die Atmosphäre. Wie sehr die Ernten vom Witterungsverlauf eines Jahres abhängen können, hat Alfred Mäde ermittelt. Entsprechend seiner Untersuchungen sind in extremen Jahren meteorologisch bedingte Ertragsschwankungen von 40–50 % des mittleren Ertrages möglich.

Der Pflanzenertrag ist aber nicht allein das Resultat unmittelbarer meteorologischer Einflüsse, sondern er ist in noch größerem Maße vom Wechselspiel zwischen Boden, Pflanze und Atmosphäre abhängig. Besonders bodenphysikalische Eigenschaften, der Humus-, Nährstoff- und Wasserhaushalt sowie die biologische Aktivität des Bodens unterliegen auf meteorologische Einflüsse zurückgehenden Veränderungen, die auch die Wirksamkeit von agrotechnischen Maßnahmen bestimmen können. Auf Grund dieser natürlichen Abhängigkeit der Pflanzenproduktion sind Informationen über den Einfluss meteorologischer Faktoren auf die Ertragsleistung der Feldfrüchte und die Wirksamkeit ertragsfördernder Maßnahmen von besonderem praktischen Wert. Die Analyse und Quantifizierung der Beziehungen zwischen der Witterung, dem Klima und der Pflanzenproduktion ist als eine Voraussetzung zu betrachten, um den Produktionsprozess u. a. durch die Anpassung der Produktionsmaßnahmen an den Witterungsverlauf, die Auswahl oder Züchtung standortgerechter Kulturpflanzen und Sorten und die Ertragsvorausschätzung

besser beherrschen und optimieren zu können.R. Koitzsch: In: Zeitschrift für Meteorologie. Nr. 27 (1977), S. 203–301. Derartige Maßnahmen sind erst dann möglich, wenn die Ansprüche der Kulturpflanzen an die atmosphärische Umwelt und die Anhängigkeit der Ertragsbildung vom Verlauf meteorologischer Faktoren in den einzeln Abschnitten der Pflanzenentwicklung bekannt und in Form mathematischer Modelle verallgemeinert sind.

Für die mathematische Erfassung von meteorologischen Umwelteinflüssen auf die Pflanze bieten sich vorrangig mathematisch-statistische Methoden an. Im Mittelpunkt derartiger Untersuchungen stehen das Ertragsverhalten gegenüber meteorologischen Einflüssen während der Vegetationszeit und die Verhaltensänderungen infolge abweichender Düngungsmaßnahmen. Durch die Anwendung multivariater Methoden, etwa durch Anwendung der Faktoranalyse zur komplexen Betrachtung vieler zusammenhängender Größen, eröffnete sich in früheren Jahren ein neuer Weg des Studiums meteorologischer Einflüsse auf landwirtschaftliche Kulturen. Verglichen mit bewährten univariaten Methoden (z. B. Korrelations-, Mehrfachregressionsanalyse) stehen sich völlig unterschiedliche Betrachtungsweisen der Ertragsanalyse gegenüber.

Meteorologische Ertragsanalysen erfordern möglichst lange homogene Reihen von biologischen und meteorologischen Beobachtungsdaten. Wenn in den Betrachtungen gleichzeitig die Einflüsse des Mineraldüngerstickstoffs eingeschlossen ist, bieten sich hierfür die Daten eines Dauerfeldversuches als Forschungsbasis an. Die nachfolgend präsentierten Ergebnisse stützen sich auf die Daten des "Statischen Mangeldüngungsversuches" Bad Lauchstädt. Sie erwiesen sich schon mehrfach als Grundlage für die Untersuchung der Wechselwirkung zwischen der Nährstoffwirkung und dem jährlichen Witterungsverlauf.

Datenbasis und Methodik Aus: Peter Kanther, Vergleichende Untersuchungen zur quantitativen Analyse von Atmosphären-Ertrags-Beziehungen, dargestellt am Beispiel der Fruchtarten Spätkartoffel und Winterweizen - Ein Beitrag zur meteorologischen Ertragsanalyse, Martin-Luther Universität, Dissertation zur Erlangung des Doktorgrades im Wissenschaftszweig Landwirtschaft, Halle, 1980

Versuchs- und Produktionsdaten Der Pflanzenertrag ist nicht allein das Resultat unmittelbarer meteorologischer Einflüsse, sondern er ist auch vom Wechselspiel zwischen Boden, Pflanze und Atmosphäre abhängig. Auch die Wirksamkeit von agrotechnischen Maßnahmen ist von meteorologischen Einflüssen abhängig. Insbesondere die Kartoffelerträge unterlagen in den 1980er-Jahren erheblichen Jahresschwankungen, weshalb der Autor die Ergebnisse seiner empirischen Untersuchungen über den Einfluss meteorologischer Faktoren auf die Entwicklung und den Ertrag von Spätkartoffeln sowie auf die Stickstoff-Düngerwirkung in seiner Dissertation vorlegte.

Meteorologische Ertragsanalysen erfordern möglichst langjährige homogene Reihen von landwirtschaftlichen und meteorologischen Beobachtungsdaten. Wenn in solchen Betrachtungen gleichzeitig die Einflüsse der Düngung eingeschlossen sind, bieten sich hierfür die Daten eines Dauerfeldversuches an. Kanther benutzte für seine Untersuchungen die Daten des Statischen Mangeldüngungsversuches in Bad Lauchstädt, um auch die Einflüsse des Mineraldüngerstickstoffs erfassen zu können. Diese Daten erwiesen sich wiederholt als gute Grundlage für die Untersuchung der Wechselbeziehungen zwischen der Nährstoffwirkung und dem jährlichen Witterungsverlauf.H. Salk: Untersuchungen über den Einfluss der Witterungsfaktoren Temperatur und Niederschlag auf die Entwicklung und den Ertrag des Winterweizens in Lauchstädt. In: Dissertation, Akademie der Landwirtschaftswissenschaften der DDR, Berlin. 1967.

Als Untersuchungsmaterial dienten die Knollen- und Kornerträge von Spätkartoffel bzw. Winterweizen von 1925 bis 1970 der Volldüngung(NPK)- und Stickstoff-Mangel(PK)-Parzellen des mit 200 dt/ha Stalldung versorgten Versuchsblocks und die am gleichen Standort langjährig registrierten Klimadaten.

Der "Statische Versuch" Lauchstädt besteht seit dem Jahre 1902 und ist in 4 Schläge eingeteilt. Die Fruchtfolge ist: Zuckerrüben, Sommergerste, Kartoffeln, Winterweizen. Der Versuch wurde ohne Wiederholung und mit einer Parzellengröße von 500 m² angelegt. Die Düngung wurde im Laufe der Jahre einige Male verändert. Seit 1952 besteht ein unveränderter Düngungsplan.

Der Versuchsstandort befindet sich geographisch am Rande der "Querfurter Platt" auf tiefgründigen und humosen sandigen Lößlehm in *Zustandsstufe I. Bodenwertzahl: 94 Bodenform: Löß-Schwarzerde auf einer im Durchschnitt bis 1,5 m Tiefe stehender Lößschicht mit 1,7 % C und 0,16 % N Klimagebiet: Mitteldeutsches Trockengebiet im Regenschatten des Harzes Höhenlage: 110 m NN Grundwasserstand: 3 m Jahresniederschlag im 60-jährigen Mittel: 480 mm Durchschnittl. Jahresmitteltemperatur: 8,6 °C

Weitere Angaben über die Versuchsanlage und -durchführung, mehrjährige Durchschnittserträge und den Einfluss der verschiedenen Düngungsformen findet man bei Rüther und Ansorge.H. Rüther, H. Ansorge: Ein halbes Jahrhundert "Statischer Versuch" Lauchstädt. In: Zeitschrift für landwirtschaftliches Versuchs- und Untersuchungswesen. Band 5, (1959), S. 99–121.

Meteorologische Daten Das Vorhandensein meteorologischer Daten wichtiger Elemente, die den Witterungsverlauf am Versuchsstandort zuverlässig charakterisieren, ist eine wichtige Voraussetzung für die Analyse bestehender Umwelt-Ertrags-Beziehungen. Am Versuchsstandort in Bad Lauchstädt werden seit 1902 die Tageswerte der wichtigsten meteorologischen Elemente nach einem dem Meteorologischen Dienst entsprechenden Beobachtungsprogramm registriert. 30-jährige Reihen von Klimadaten wurden für die Erfassung wesentlicher Witterungskonstellationen als ausreichend betrachtet. Als Datenbasis dienten die Tageswerte (ca. 77.000 Einzelwerte) wichtiger Elemente aus der Beobachtungsperiode 1949–1970, die für die maschinelle Verarbeitung auf Datenträger gespeichert und nach Datenprüfung ausgewertet wurden.

Weil meteorologische Elementargrößen (z. B. Tagesmitteltemperatur, Tagesniederschlagsmenge etc.) die tatsächliche Wirkung der Witterung auf die Ertragsbildung nicht ausreichend zu beschreiben vermögen, wurden aus den ursprünglichen Daten meteorologische Größen, die als Integral über mehrere Einzelelemente zu betrachten sind, abgeleitet. So kennzeichnet nach Wang die Differenz zwischen dem Temperaturmaximum eines Tages und dem Temperaturminimum des Folgetages den täglichen Abkühlungsprozess, sodass sich die mittlere tägliche Abkühlung eines Zeitabschnittes errechnen lässt.J. Wang: Agricultural Meteorology. Pacemaker Press, Milwaukee, Wisconsin 1963. Die tägliche Abkühlung ist deshalb als ein komplexer Parameter zu bezeichnen, weil sie im Allgemeinen von den Bewölkungsverhältnissen, der Luft- und Bodenfeuchtigkeit sowie von der Luftbewegung abhängt.

Anhand gemessener Daten und einer speziellen Rechenformel war es auch möglich, die potentielle Evapotranspiration (Verdunstung) zu berechnen. Sie kennzeichnet den Wasserbrauch eines Tages. Zieht man von der Tagesniederschlagsmenge die potentielle Verdunstung ab, erhält man die klimatische Wasserbilanz, die die Feuchtigkeitsänderung des Bodens eines Tages quantitativ anzeigt. Nach Wendling stimmen in Mitteleuropa die geschätzten Transpirationswerte mit den gemessenen Werten am besten überein, wenn die Schätzungen auf Beziehungen beruhen, die Strahlungsglieder enthalten.U. Wendling: Zur Messung und Schätzung der potentiellen Verdunstung. In: Zeitschrift für Meteorologie. Nr. 25 (1975), S. 103–111. Die Berechnung der Tageswerte der potentiellen Verdunstung wurden deshalb mit der von Mäde modifizierten Turc-Formel vorgenommen und für die Untersuchungen herangezogen.A. Mäde: Zur meteorologischen Ertragsanalyse. 1. Aussaatzeitenversuch als Untersuchungsmethode. In: Beiträge zur soz. Intensivierung und komplexen Rationalisierung in der Pflanzenproduktion. 1972, S. 197–201.

Den statistischen Analysen lagen somit aus klimatologischen Zeitreihen gewonnene aggregierte Daten von Elementar-, Kombinations- und Komplexgrößen für mehrere Entwicklungsabschnitte der Kartoffel und des Weizens zugrunde, die zu den Daten der biologischen Größen (Phasenlänge, mittlere tägliche Entwicklungsrate, Ertrag und N-abhängiger Mehrertrag) in Beziehung gesetzt wurden. Als Parameter dienten die Summen und Mittelwerte von Elementar- und Komplexgrößen und wegen des geringen Informationsgehaltes der Mittelwerte meteorologischer Elemente auch die Häufigkeiten des Auftretens bzw. Überschreitens bestimmter meteorologischer Grenzwerte nach MädeA. Mäde: Agrarklimatische Untersuchungen an dem 100-jährigen Roggenbau in Halle. Agrarmeteor. Institut Universität Halle, Forschungsabschlussbericht (1960), unveröff. für den zeitlichen Verlauf bzw. die Verteilung der Einwirkungen.

Zur Erfassung des regionalen Witterungseinflusses auf die Spätkartoffelentwicklung, den Ertrag und die Stickstoff-Düngerwirkung wurden Daten ausgewählter Produktionsstandorte (Zeitraum 1967–1974) und aggregierte Beobachtungsdaten zugeordneter hauptamtlicher Wetterstationen für Betrachtungen über das nördliche und mittlere Binnentiefland in Ostdeutschland herangezogen.

Phänologische Daten