Modellierung von Boden-Pflanzen-Systemen

Expert-N (seit Version 5 auch XN5) ist ein umfassendes Softwarepaket für die Simulation von Pflanzenwachstum und Stoffflüssen in Agrarökosystemen. Die Simulationsumgebung besteht aus modularen Modellkomponenten, die gleichzeitig partielle Differentialgleichungen für den Wasserfluss im Boden ("Richards-Gleichung"), die Wärmeübertragung im Boden ("Fouriersche Wärmeübertragungsgleichung") und den Stofftransport ("Konvektions-Dispersions-Gleichung") lösen, gekoppelt an einen komplexen Satz gewöhnlicher Differentialgleichungen, die die Phänologie und das Wachstum der Pflanzen sowie den Kohlenstoff-Stickstoff-Umsatz im Boden beschreiben (Priesack, 2006). Expert-N ist als eine Modellbibliothek konzipiert. Der modulare Aufbau erlaubt es, alternative oder konkurrierende Modellansätze für einzelne simulierte Prozesse (z.B. Stickstoffumsatz) oder einzelne Teilprozesse (z.B. Mineralisierung organischer Substanz im Boden) zu implementieren und zu kombinieren. In Expert-N sind zahlreiche bestehende Modelle und Prozessbeschreibungen aus der Literatur sowie viele eigene Modellentwicklungen implementiert worden. Die Entwicklung des Modellsystems Expert-N reicht bis in die 1990er Jahre zurück, als eine erste Version im Rahmen des Verbundprojekts FAM (Forschungsverbund Agrarökosysteme München, ein gemeinsames Projekt der Technischen Universität München und des GSF-Forschungszentrums für Umwelt und Gesundheit in München-Neuherberg) implementiert wurde. Aufbauend auf dieser ersten Version wurde Expert-N in den letzten 25 Jahren kontinuierlich erweitert und verbessert. In dieser Zeit hat sich Expert-N zu einer umfassenden Plattform für Modelle und Module zum Thema Agrarökosysteme entwickelt, die miteinander kombiniert oder ausgetauscht werden können. So sind beispielsweise vier verschiedene Pflanzenwachstumsmodelle in Expert-N implementiert, ebenso wie mehrere Modelle und alternative Prozessbeschreibungen für den Wärmestrom im Boden, den Umsatz organischer Substanz oder die Evapotranspiration. Darüber hinaus gibt es Module für Grasland, Waldwachstum, Agroforstsysteme und neuerdings auch für Agrophotovoltaik. Die große Anzahl alternativer Prozessbeschreibungen und Teilmodelle bietet unter anderem den Vorteil, dass die Modellauswahl für spezifische Modellanwendungen an die jeweilige Datensituation angepasst werden kann. Die Austauschbarkeit einzelner Prozessbeschreibungen oder ganzer Teilmodelle begünstigt zudem vertiefte Modellanalysen und bietet die Möglichkeit, Multi-Modell-Ensembles für Agrarökosysteme innerhalb einer Simulationsumgebung zu erstellen. Darüber hinaus begünstigt der modulare Aufbau von Expert-N eine relativ einfache Erweiterung des Modellsystems. Darüber hinaus wurden Kopplungen von Expert-N mit anderen Modellsystemen realisiert, z.B. die Kopplung mit der Multiagentensimulationssoftware MPMAS.
Expert-N ist in C/C++ als Modellbibliothek programmiert. Derzeit ist Expert-N in der Windows-basierten Version 3.1 und in der plattformunabhängigen, OpenMP- und MPI-parallelisierbaren Version 5.15 (XN5) verfügbar, für die eine Python-basierte grafische Benutzeroberfläche (GUI) existiert. Expert-N bietet die Möglichkeit für massiv parallelisierte Simulationen. Diese Option ist besonders wichtig für regionale Simulationen (z.B. Klimaprojektionen auf regionaler oder nationaler Ebene).

Durch den modularen Aufbau ist Expert-N auch ein äußerst flexibles Simulationsmodell für die N-Dynamik in Boden-Pflanze-Systemen, das leicht an den jeweiligen Simulationszweck einschließlich Management oder Forschung, an die spezifischen Standortbedingungen unter Einbeziehung von Kultur, Boden und landwirtschaftlicher Praxis sowie an die Qualität und Verfügbarkeit von Daten angepasst werden kann.

Basierend auf einer benutzerfreundlichen grafischen Oberfläche, einem Windows-System für Personal Computer, umfasst Expert-N ein menügesteuertes interaktives Eingabesystem zur Eingabe aller notwendigen Boden-, Wetter-, Düngemittel- und Kulturdaten für ein bestimmtes Feld und eine bestimmte Wachstumsperiode.

Technische Information

Betriebssysteme: Windows (GUI, Kommandozeile), Linux (Kommandozeile)