AgraSim

Unsere Forschungsplattform für die Landwirtschaft der Zukunft

AgraSim Experiment | AgraSim Modellierung | Ausblick | Kontakt

Die Forschungsplattform AgraSim kombiniert experimentelle und numerische Simulationen, um die Auswirkungen künftiger Klimaszenarien auf landwirtschaftliche Anbausysteme ganzheitlich untersuchen zu können. Die Plattform gliedert sich in zwei eng gekoppelte Kernbereiche: das AgraSim Experiment und die AgraSim Modellierung.

Im Experiment werden Echtzeitdaten zu Wechselwirkungen zwischen Klima, Pflanzen, Böden und deren Management erhoben. Diese Daten fließen direkt in einzelne numerische Simulationen ein, die auf den Hochleistungsrechnern des Forschungszentrums Jülich durchgeführt werden. Durch die Integration dieser Simulationen entsteht ein digitaler Zwilling der untersuchten Systeme. Dieser dient nicht nur als dynamisches Referenzsystem, welches zu einer fortlaufenden Optimierung der experimentellen Ausgangsbedingungen genutzt wird, sondern liefert gleichzeitig Daten, die zur Optimierung globaler Ökosystem- und Klimamodelle genutzt werden können.

Diese innovative Kombination aus experimenteller und numerischer Simulation ist ein weltweit einzigartiger Ansatz, der belastbare Vorhersagen zu den Auswirkungen künftiger Klimabedingungen auf die Landwirtschaft ermöglicht. Ziel ist es, fundierte Strategien für eine nachhaltige und resiliente Landwirtschaft zu entwickeln.

AgraSim Experiment

Zentraler Bestandteil der experimentellen Infrastruktur sind sechs baugleiche Einheiten, sogenannte Mesokosmen, in denen alle wichtigen Prozesse in von der Außenwelt abgeschlossenen Agrarökosystemen unter kontrollierten Bedingungen simuliert werden. Diese Mesokosmen bestehen jeweils aus vier Komponenten.

Lysimeter

Eine temperier- und wägbaren Bodeneinheit, die gasdicht mit der Pflanzenkammer verbunden ist.

Pflanzenkammer

Die Pflanzenkammer ist eine transparente, vollständig regulierbare Kammer, in der die Klimafaktoren wie CO₂-Konzentration, Luftfeuchtigkeit, Temperatur und Niederschlag mit einer automatisierten Prozesssteuerung konstant über längere Zeiträume oder angepasst an spezifische Klimaszenarien präzise eingestellt und überwacht werden können. Die Pflanzenkammer befindet sich selbst innerhalb einer Klimakammer.

Klimakammer

Die Klimakammer stabilisiert die Temperaturregelung der Pflanzenkammer und ist mit einem Mehrkanal-LED-Lichtaufsatz ausgestattet, der ein naturnahes Lichtspektrum mit voller Sonnenlichtintensität nachbildet. Die Klimakammer ist wiederum angeschlossen an eine Echtzeitanalyse.

Echtzeitanalyse

Analyse aller grundlegenden Prozesse in den Agrarökosystemen in hoher zeitlicher Auflösung: Erfassung des Bodenwasserhaushalts, des Gasaustauschs zwischen Boden / Pflanze / Atmosphäre und der Nährstoff- und Wassernutzungseffizienz, der Kohlenstoff- und Treibhausgasbilanzen sowie der Verdunstungsraten.

Die Konzeption dieses Forschungsansatzes basiert auf der Expertise des Instituts IBG-3 (Forschungszentrum Jülich) im Bereich Pflanze-Boden-Atmosphäre-Austauschprozesse unter der Leitung von Prof. Nicolas Brüggemann. In enger Zusammenarbeit mit Ingenieurwissenschaftlern des Instituts für Technologie und Ingenieurwissenschaften (ITE) unter der Leitung von Joschka Neumann wurde die Anlage entwickelt und gebaut. Der Betrieb dieser vollständig am Forschungszentrum entwickelten Infrastruktur wird durch die fachspezifische Ingenieurskompetenz vor Ort kontinuierlich betreut, was eine weitere Stärke von AgraSim darstellt und höchste wissenschaftliche Präzision und Datenqualität gewährleistet.

AgraSim Modellierung

Die im Experiment erhobenen Daten bilden die Grundlage für umfangreiche numerische Simulationen, die auf den Hochleistungsrechnern des Jülich Supercomputing Centre (JSC) des Forschungszentrums Jülich durchgeführt werden. Um die grundlegenden Prozesse im System Boden-Pflanze-Atmosphäre und ihre komplexen Wechselwirkungen realistisch abzubilden, kommen Modelle zum Einsatz, die auf unterschiedlichen Skalenebenen operieren.

Die Integration dieser einzelnen Modelle führt zu einem umfassenden digitalen Zwilling der untersuchten Agrarökosysteme. Dieser Zwilling dient nicht nur der Validierung und kontinuierlichen Optimierung der Versuchsbedingungen, sondern stellt gleichzeitig durch seine iterative Modellkalibrierung eine Steigerung der Vorhersagegenauigkeit und der Qualität der gewonnenen Daten sicher.

Ausblick: Landwirtschaft der Zukunft gestalten

Durch die einzigartige Verbindung von Experiment, Analyse und Modellierung schafft AgraSim eine beispiellose Plattform, um die Auswirkungen des Klimawandels auf die Landwirtschaft zu untersuchen. Die Erkenntnisse tragen dazu bei, Strategien für eine nachhaltige Landwirtschaft zu entwickeln und konkrete Empfehlungen für den Pflanzenanbau und die Bodenbewirtschaftung abzuleiten.

Die Ergebnisse liefern entscheidende Einblicke in:

die Auswirkungen zukünftiger Klimabedingungen auf alle wesentlichen biogeochemischen, bodenhydrologischen und pflanzenphysiologischen Prozesse in Agrarökosystemen,
die Effizienz der Nährstoff- und Wassernutzung sowie Quantität und Qualität von Erträgen unter den sich ändernden Klimabedingungen,
die Zukunft der Kohlenstoffspeicherung im Boden,
die Quantifizierung der klimawirksamen Rückkopplungen der Agrarökosysteme auf das Klimasystem und die Zusammensetzung der Atmosphäre, wie Verdunstung und Treibhausgasemissionen.

Mit diesen Daten trägt AgraSim entscheidend zur Entwicklung resilienter landwirtschaftlicher Systeme und der globalen Ernährungssicherung bei – ein unverzichtbarer Beitrag angesichts der globalen Klimaherausforderungen.