Monocropping, die landwirtschaftliche Praxis, jedes Jahr eine einzelne Pflanzenart auf demselben Land anzubauen, bringt hohe Erträge bei geringeren Kosten. Der Anbau von nur einer Pflanzenart auf vielen Hektar Land kann jedoch den Boden schädigen, den Bedarf an Düngemitteln erhöhen, Schädlingsprobleme verursachen und die Umwelt schädigen.

Eine diversifizierte Landwirtschaft kann zu nachhaltigeren Systemen führen und der Gesellschaft eine Reihe von Dienstleistungen erbringen, die über die landwirtschaftliche Produktion hinausgehen. Kulturdiversifizierung, wie z. B. Mischkulturen und Sortenmischungen, kann die Produktivität von Anbausystemen zu stabilisieren, die Nutzung von Ressourcen zu optimieren und negative Umweltauswirkungen und den Verlust an Biodiversität zu reduzieren.

Beispiele für Monokulturen und diversifizierten Anbau (Fruchtfolge und Mischkulturen)

Die Modellierung kann verwendet werden, um das landwirtschaftliche Management verschiedener Systeme besser zu verstehen und insbesondere, wie sie in Anbausysteme integriert werden können, um die angestrebten Ökosystemleistungen zu erzielen.

In einem neuen Artikel, erschienen in in silico Plants, die INRAE-Forscherin Dr. Noémie Gaudio und ihre Kollegen argumentieren Ein einzelner Modellierungsansatz reicht nicht aus, um die vielfältigen Prozesse und Systemkomponenten zu erfassen, die für das Verständnis komplexer und diversifizierter Agrarökosysteme entscheidend sind.. Stattdessen plädieren sie für die Entwicklung von Modellierungslösungen, die sich die Stärken verschiedener Modelltypen (z. B. prozessbasierte Modelle und qualitative Modelle) zunutze machen.

In dem Artikel stellen die Autoren eine Vielzahl von Beispielen für gekoppelte Modellierungslösungen vor, um Modelle von lokalen Interaktionen auf Ökosystemleistungen hochzuskalieren. Diese Lösungen hängen von der Vielfalt der angestrebten Ökosystemleistungen und dem Umfang der zeitlichen Skala (z. B. sofort, täglich, Erntezyklus, Fruchtfolge oder langfristig) und der räumlichen Auflösung (z. B. Pflanze, Feld oder Landschaft, zusammen mit ihrer Vielzahl) ab kultivierte und unkultivierte Komponenten), an denen diese Dienstleistungen entwickelt werden.

5 Ziele, die bei der Auswahl eines Ansatzes zur Modellierung einer diversifizierten Landwirtschaft zu berücksichtigen sind. 1. Interaktionstypen: Konkurrenz, Komplementär, Moderation 2. Interessierende Interaktionen: Pflanze/Umwelt, Pflanze/Pflanze, Pflanze/Schädling 3. Räumliche Auflösung: Pflanze, Feld, Landschaft 4. Zeitlicher Maßstab: Momentan, Täglich, Erntezyklus, langfristig 5. Ökosystemleistung: Ertragsproduktion, Schädlingsregulierung, Boden- und Wasserqualität
Ziele, die bei der Auswahl eines Ansatzes zur Modellierung einer diversifizierten Landwirtschaft zu berücksichtigen sind.

Laut den Autoren sind dies nicht die einzigen Überlegungen zur Kombination von Modellen. Strategien zur Kombination von Modellen sollten gemäß den Zielen der Studie identifiziert werden. Beispiele für Studienziele sind: die relativen Beiträge von primären ökologischen Prozessen zu Pflanzenmischungen zu verstehen, die Auswirkungen der Umwelt und der landwirtschaftlichen Praktiken zu quantifizieren und die resultierenden Ökosystemleistungen zu bewerten.

Da eine direkte Kopplung von Modellen über alle Skalen hinweg selten machbar ist, identifizierten die Autoren drei alternative Strategien zur Hochskalierung von Modellen von lokalen Interaktionen auf Ökosystemleistungen:

  • Inverse Modellierung, die Modelle verbindet, indem sie Eingabeparameter aus simulierten Daten anderer Modelle identifiziert,
  • Metamodellierung, die Modelle verbindet, indem sie ein einfacheres Modell der Ergebnisse aus einem komplexeren Modell entwickelt, und
  • Hybride Modellierung, die Modelle verbindet, indem sie die Stärken bestehender Modelle in einem neuen Modell kombiniert. Das Ziel besteht darin, eine hierarchische Modellierung auf mehreren Skalen durchzuführen, indem nur die Detailebene einbezogen wird, die erforderlich ist, um die kritischen Prozesse darzustellen, die an den gezielten Ausgaben des Systems beteiligt sind.

Die Autoren weisen darauf hin, dass die Wiederverwendung und Kopplung bestehender Modelle mit mehreren methodischen und technischen Herausforderungen konfrontiert ist. Die Notwendigkeit, kollaboratives und verteiltes Modelldesign, Reproduzierbarkeit und Verbreitung zu unterstützen, wurde angesprochen mit Jupyter-Notebooks in einem vorheriger Botany One-Beitrag.

Die Autoren schließen mit der Betonung, dass viele Ergebnisse diversifizierter Agrarökosysteme noch erforscht werden müssen, sowohl experimentell als auch durch den heuristischen Einsatz von Modellen. Die Praxis, Modelle zu kombinieren, um die Pflanzenvielfalt zu berücksichtigen und Ökosystemleistungen auf verschiedenen Ebenen vorherzusagen, ist ungewöhnlich, aber entscheidend, um die räumliche und zeitliche Vorhersage der vielen Systeme zu unterstützen, die entworfen werden könnten.

DER ARTIKEL::

Noémie Gaudio, Gaëtan Louarn, Romain Barillot, Clémentine Meunier, Rémi Vezy, Marie Launay, Exploration von Komplementaritäten zwischen Modellierungsansätzen, die eine Hochskalierung von der Funktion der Pflanzengemeinschaft zu Ökosystemleistungen ermöglichen, um den agrarökologischen Übergang zu unterstützen, in silico Plants, 2021;, diab037, https://doi.org/10.1093/insilicoplants/diab037

Dieses Manuskript ist Teil von in silico Plant's Funktionelles strukturelles Anlagenmodell Sonderausgabe.