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An integrated Modelling framework to monitor and predict trends of agricultural management and their impact on Soil functions at multiple scales (iMSoil)

Applicant Keller Armin
Number 143062
Funding scheme NRP 68 Sustainable Use of Soil as a Resource
Research institution Forschungsanstalt Agroscope Reckenholz-Tänikon ART
Institution of higher education Research Institutes Agroscope - AGS
Main discipline Pedology
Start/End 01.07.2013 - 31.12.2016
Approved amount 494'483.00
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All Disciplines (6)

Discipline
Pedology
Political science
Other disciplines of Engineering Sciences
Other disciplines of Environmental Sciences
Science of management
Agricultural Engineering

Keywords (8)

socio-economic scenarios; long-term changes; soil process modelling; decision support system; soil monitoring tool; soil pollution; agricultural land management; early warning system

Lay Summary (German)

Lead
Die Landwirtschaft beeinflusst die Stoffkreisläufe und damit wichtige Funktionen des Bodens. Zusammen mit den Düngemitteln und Hilfsstoffen werden neben erwünschten Nährstoffen auch Schadstoffe ausgebracht, die sich anreichern. Armin Keller und sein Team entwickeln ein integriertes Monitoring-Instrument für den vorsorgenden Bodenschutz. Das Tool soll helfen, nicht nachhaltige Entwicklungen in Böden frühzeitig zu erkennen und die Wirksamkeit vorsorgender Massnahmen zu planen und zu überprüfen.
Lay summary

 Auf zahlreichen landwirtschaftlich genutzten Böden werden über die Zeit grosse Mengen an Dünge- und Pflanzenschutzmitteln sowie Hilfsstoffen ausgebracht. Diese enthalten nebst Nährstoffen auch geringe Mengen von Schadstoffen. Die schleichende Anreicherung dieser Stoffe im Boden stellt eine Bedrohung für die Bodenqualität und für Funktionen des Bodens dar. Die Bodenbeobachtung liefert zwar wichtige Erkenntnisse über den Zustand und die Dynamik in Böden. Die verfügbaren Monitoring-Instrumente sind jedoch längst nicht so weit entwickelt wie für die Bereiche Luft und Wasser.

Das Projektteam entwickelt ein regionales Boden-Monitoring-Tool für ausgeglichene Stoffkreisläufe auf landwirtschaftlich genutzten Böden. Im Zentrum steht die Frage, unter welchen Bedingungen in der Landwirtschaft sich im regionalen Kontext Nährstoffkreisläufe optimieren und Schadstoffeinträge in die Böden vermeiden lassen.

Für die landwirtschaftlichen Böden ausgewählter Fallstudiengebiete berechnet das Forschungsteam die Stoffkreisläufe der letzten Jahrzehnte für Nährstoffe (N, P), Schwermetalle (Cu, Zn, Cd) und Pflanzenschutzmittel. Mit Hilfe von Szenarien für die künftige Bewirtschaftung unter verschiedenen sozio-ökonomischen Rahmenbedingungen werden Stoffkreisläufe im Boden prognostiziert. Das Team untersucht zudem deren Auswirkungen auf Funktionen des Bodens und leitet daraus Indikatoren für eine nachhaltige Bewirtschaftung von Böden ab.

Dieses erweiterte Boden-Monitoring-Tool soll als Entscheidungshilfe für eine nachhaltige Bodennutzung dienen. Es hilft, nicht nachhaltige Entwicklungen in einer Region frühzeitig zu erkennen und präventive Massnahmen zu planen. Damit liefert das Projekt Grundlagen für den Vollzug des Bodenschutzes, beispielsweise für die Bodenbeobachtung, das Agrar-Umweltmonitoring oder den Umweltschutz in der Landwirtschaft.

Direct link to Lay Summary Last update: 04.06.2013

Lay Summary (French)

Lead
L’agriculture a un impact sur les cycles des éléments et donc sur les fonctions des sols. Outre les éléments nutritifs, les engrais et les matières auxiliaires apportent des substances nocives qui s’accumulent. Armin Keller et son équipe développent un outil de monitoring intégré de protection des sols. Cet outil doit contribuer à l’identification précoce des changements s’opérant dans les sols. Il doit également permettre de planifier et de contrôler l’efficacité des mesures de prévention.
Lay summary

Avec le temps, de grandes quantités d’engrais, de produits phytosanitaires et de matières auxiliaires sont répandues sur de nombreux sols utilisés à des fins agricoles. Outre des éléments nutritifs, ceux-ci contiennent aussi de faibles quantités de substances nocives. L’accumulation rampante de ces substances dans les sols représente une menace pour leur qualité et leurs fonctions. Certes, l’Observatoire des sols fournit des informations importantes sur l’état et la dynamique des sols. Néanmoins, les instruments de monitoring disponibles sont loin d’être aussi développés que ceux consacrés à l’air et à l’eau.

L’équipe de projet développe un outil régional de monitoring des sols visant un équilibre des cycles des éléments sur les sols agricoles. La question centrale est de savoir dans quelles conditions de l’activité agricole il est possible, dans un contexte régional, d’optimiser les cycles de vie des éléments nutritifs et d’empêcher l’incorporation de substances nocives dans le sol.

L’équipe de recherche établit les cycles des éléments nutritifs (N, P), des métaux-traces (Cu, Zn, Cd) et des produits phytosanitaires au cours des dernières décennies pour les sols agricoles des zones d’étude sélectionnées. À l’aide de scénarios décrivant l’exploitation future dans différentes conditions socio-économiques, les cycles des matières dans les sols sont prévus. L’équipe étudie en outre leurs répercussions sur les fonctions du sol et en déduit des indicateurs pour une exploitation durable des sols.

Cet outil avancé de monitoring des sols doit faciliter la décision dans le but de développer une utilisation durable des sols. Il permet d’identifier précocement les changements non durables observés dans une région et de planifier des mesures de prévention. Le projet jette ainsi les bases de la mise en œuvre de la protection des sols, par exemple dans le cadre de l’Observatoire des sols, du Monitoring agro-environnemental et de la protection de l’environnement dans l’agriculture.

Direct link to Lay Summary Last update: 04.06.2013

Lay Summary (English)

Lead
Agriculture affects the element cycles and thereby important functions of the soil. Alongside auxiliary substances and fertilisers, contaminants are also applied, which accumulate in the long-term in soil. Armin Keller and his team are developing an integrated monitoring framework for preventive soil protection. The tool should help to identify non-sustainable developments in the soils of a region early on and to plan and check the effectiveness of the preventative measures taken.
Lay summary

Over time, large quantities of fertilisers, pesticides and soil amendments are applied onto agricultural soils. They contain, in addition to nutrients, small quantities of contaminants. The gradual accumulation of these substances in the soil represents a threat for soil quality and for the functions of the soil. Soil monitoring provides important information on the condition and the dynamics of the soils. However, the available monitoring instruments are not as developed as for the air and water.

The project team is developing a regional soil monitoring tool for balanced element cycles on agricultural soils. One of the key questions is under which conditions, in agriculture, in a regional context, nutrient cycles can be optimised and inputs of contaminants into soils can be prevented.

For agricultural soils in selected case study fields, the research team is calculating the element cycles over recent decades for nutrients (N, P), trace metals (Cu, Zn, Cd) and pesticides. The element cycles in the soil are being predicted, using scenarios for future management, under various socio-economic framework conditions. The team is also investigating their effects on the functions of the soil, and deducing indicators for sustainable soil management.

This extended soil monitoring tool should facilitate decision-making for sustainable soil use. It will help to recognise non-sustainable developments in a region early on and to plan preventive measures. In doing so, the project will provide the basics for implementation of soil protection measures, for example for soil monitoring, agro-environmental monitoring and environmental protection in agriculture.

Direct link to Lay Summary Last update: 04.06.2013

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Publications

Publication
Uncertainty indication in soil function maps – transparent and easy-to-use information to support sustainable use of soil resources
Greiner Lucie, Nussbaum Madlene, Papritz Andreas, Zimmermann Stephan, Gubler Andreas, Grêt-Regamey Adrienne, Keller Armin (2018), Uncertainty indication in soil function maps – transparent and easy-to-use information to support sustainable use of soil resources, in SOIL, 4, 123-139.
Determination of grassland use intensity based on multi-temporal remote sensing data and ecological indicators.
Gómez Giménez M., de Jong R., Della Peruta R., Keller A., Schaepman M. (2017), Determination of grassland use intensity based on multi-temporal remote sensing data and ecological indicators., in Remote Sensing of Environment, 198, 126-139.
Soil function assessment methods for quantifying the contributions of soils to ecosystem services.
Greiner Lucie, Keller Armin, Grêg-Regamey A., Papritz A. (2017), Soil function assessment methods for quantifying the contributions of soils to ecosystem services., in Land Use Policy , 69, 224-237.
A regional modelling tool to assess the risk of accumulation of nutrients, trace metals and pesticides in agricultural soils (iMSoil).
Della Peruta R. and A. Keller (2016), A regional modelling tool to assess the risk of accumulation of nutrients, trace metals and pesticides in agricultural soils (iMSoil)., in Bulletin der Bodenkundlichen Gesellschaft der Schweiz, 37.
Belastung mineralisch gedüngter Böden mit Schadelementen (Arsen, Blei, Cadmium, Uran)
Bigalke M, A. Rehmus, A. Keller (2016), Belastung mineralisch gedüngter Böden mit Schadelementen (Arsen, Blei, Cadmium, Uran), Bericht für das Bundesamt für Landwirtschaft, Universität Bern, Geographisches Institut, 3012 Bern.
Bodenfunktionen bewerten: Anwendungsbeispiele Wasserhaushalt und Landwirtschaft.
Greiner L. P. Schwab S. Zimmermann M. Nussbaum A. Papritz A. Keller (2016), Bodenfunktionen bewerten: Anwendungsbeispiele Wasserhaushalt und Landwirtschaft., in Bulletin der Bodenkundlichen Gesellschaft der Schweiz, 37.
Spatial differentiation of arable land and permanent grassland to improve a land management model for nutrient balancing
Gómez Giménez M. Della Peruta R. de Jong R. Keller A. & Schaepman M.E. (2016), Spatial differentiation of arable land and permanent grassland to improve a land management model for nutrient balancing, in IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing.
Bodenfunktionsbewertung: die Rolle des Bodens anderen Fachdisziplinen kommunizieren
Greiner L., Keller A., Zimmermann S., Papritz A. (2015), Bodenfunktionsbewertung: die Rolle des Bodens anderen Fachdisziplinen kommunizieren, in Bulletin der Bodenkundlichen Gesellschaft der Schweiz, 35, 23-28.
Ergebnisse der Nationalen Bodenbeobachtung (NABO) 1985-2009
Gubler A., Schwab P., Wächter D., Meuli R., Keller A. (2015), Ergebnisse der Nationalen Bodenbeobachtung (NABO) 1985-2009, Bundesamt für Umwelt, Bern. Umwelt-Wissen , Bern.
Impact of farm mangement on soil phosphorus dynamics: a monitoring-modelling approach
Müller M., Della Peruta R. (2015), Impact of farm mangement on soil phosphorus dynamics: a monitoring-modelling approach, in Bulletin der Bodenkundlichen Gesellschaft der Schweiz, 35, 37-47.
Remote Sensing of Soils
Wulf H., Mulder T., Schaepman M., Keller A., Jörg P. (2015), Remote Sensing of Soils, Bericht für das Bundesamt für Umwelt, Sektion Boden, Bern.
Funktionale Bodenbewertung Lyss - Die Erstellung von Bodenfunktionskarten
Gerber C., Herweg K., Keller A., Trachsel P. (2014), Funktionale Bodenbewertung Lyss - Die Erstellung von Bodenfunktionskarten, Masterarbeit, Universität Bern, Geographisches Institut Bern, Bern.
Sensitivity analysis, calibration and validation of EPIC for modelling soil phosphorus dynamics in Swiss agro-ecosystems
Della Peruta R., Keller A., Schulin R. (2014), Sensitivity analysis, calibration and validation of EPIC for modelling soil phosphorus dynamics in Swiss agro-ecosystems, in Environmental Modelling & Software , 62, 97-111.
A simple regional downscaling approach for spatially distributing land use types for agricultural land
Gärtner D., Keller A., Schulin R. (2013), A simple regional downscaling approach for spatially distributing land use types for agricultural land, in Agricultural Systems, 120, 10-19.

Collaboration

Group / person Country
Types of collaboration
Fabio Wegmann, FOEN Switzerland (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
Moritz Bigalke, Universität Bern Switzerland (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
- Publication
- Research Infrastructure
Andreas Papritz, ETHZ Switzerland (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
- Publication
A. Grêg-Regamey, ETHZ Switzerland (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
- Publication
Wolfgang Strurni, Canton Berne Switzerland (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
Andrea Ulrich, FOAG Switzerland (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
Ronald Kozel, FOEN Switzerland (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results

Scientific events

Active participation

Title Type of contribution Title of article or contribution Date Place Persons involved
Jahrestagung der Bodenkundlichen Gesellschaft der Schweiz (BGS) Talk given at a conference Bodenfunktionen bewerten Anwendungsbeispiele Wasserhaushalt und Landwirtschaft 04.02.2016 Genf, Switzerland Della Peruta Raniero; Keller Armin;
Jahrestagung der Bodenkundlichen Gesellschaft der Schweiz (BGS) Talk given at a conference A regional modelling tool to assess the risk of accumulation of nutrients, trace metals and pesticides in agricultural soils (iMSoil) 04.02.2016 Genf, Switzerland Della Peruta Raniero; Keller Armin;
American Geophysical Union AGU Poster Spatial differentiation of arable land and permanent grasslands to improve a regional Land Management Model for nutrient balancing 14.12.2015 San Francisco, United States of America Gomez Gimenez Marta;
FiBL workshop Phosphor Recyclingdünger in der Biolandwirtschaft Talk given at a conference Regionalisierung von Nähr- und Schadstoffbilanzen: die Anwendung von P Recyclingdünger im regionalen Kontext 24.11.2015 Frick, Switzerland Keller Armin;
International Conference on Land Use and Water Quality – Agricultural Production and the Environment Talk given at a conference Spatially explicit modelling of nutrient and trace element inputs to agricultural soils 21.09.2015 Wien, Austria Schulin Rainer; Della Peruta Raniero; Keller Armin;
Pedometrics 2015 Conference Talk given at a conference Integration of assessment methods for soil services in ecosystem service frameworks. 14.09.2015 Cordoba, Spain Della Peruta Raniero; Schulin Rainer; Keller Armin;
Jahrestagung der Deutschen Bodenkundlichen Gesellschaft Talk given at a conference Bewertungsmethoden für Bodenfunktionen in der Schweiz 05.09.2015 München, Germany Della Peruta Raniero; Keller Armin;
Workshop Deutsche Bodenkundliche Gesellschaft (DBG). Arbeitsgruppe Digital Soil Mapping Talk given at a conference Regionalisierung Nähr- und Schadstoffkreisläufe in landwirtschaftlich genutzten Böden 31.03.2015 Tübingen, Germany Keller Armin; Gomez Gimenez Marta; Della Peruta Raniero; Mann Stefan; Schaepman Michael E.; Schulin Rainer;
BGS Jahrestagung Poster Awareness raising and communication means: Soil Function Maps for Spatial Planning 06.02.2015 Basel, Switzerland Keller Armin;
Swiss Geoscience Meeting Talk given at a conference An integrated Modelling framework to monitor and predict trends of agricultural management (iMSoil) - The Land Management Model (LMM) 22.11.2014 Fribourg, Switzerland Gomez Gimenez Marta; Schaepman Michael E.; Schulin Rainer; Keller Armin; Della Peruta Raniero;
Swiss Geoscience Meeting Poster Towards Soil Function Assessment for Switzerland 22.11.2014 Fribourg, Switzerland Keller Armin; Schulin Rainer; Schaepman Michael E.;
Swiss Geoscience Meeting Poster Remote sensing sources for land cover. differentiation of arable land and grassland to improve a Land Management Model 22.11.2014 Fribourg, Switzerland Della Peruta Raniero; Gomez Gimenez Marta; Keller Armin; Schaepman Michael E.;
Workshop Monitoring Soil Properties at Different Scales Talk given at a conference How to improve the reliability of temporal trends detected by the Swiss Soil Monitoring Network NABO 19.11.2014 Braunschweig, Germany Della Peruta Raniero; Schulin Rainer; Keller Armin;
RAQRS 2014. Recent Advances in Quantitative Remote Sensing Poster Land Cover differentiation to improve a Land Management Model using remote sensing sources 22.09.2014 Valencia, Spain Schaepman Michael E.; Keller Armin; Della Peruta Raniero; Gomez Gimenez Marta; Schulin Rainer;
5th ESA Advanced Training Course on Land Remote Sensing Poster Cover differentiation to improve a Land Management Model using remote sensing sources 08.09.2014 Valencia, Spain Schaepman Michael E.; Gomez Gimenez Marta; Della Peruta Raniero; Keller Armin;
European Geophysical Union. EGU General Assembly Talk given at a conference An integrated Modelling framework to monitor and predict trends of agricultural management (iMSoil) 29.04.2014 Wien, Austria Mann Stefan; Gomez Gimenez Marta; Schulin Rainer; Keller Armin; Della Peruta Raniero; Schaepman Michael E.;
European Geophysical Union. EGU General Assembly Poster Modelling the impact of soil erosion on phosphorous redistribution within terrestrial environments 29.04.2014 Wien, Austria Schaepman Michael E.; Keller Armin; Schulin Rainer; Della Peruta Raniero;
Deutsche Bodenkundliche Gesellschaft (DBG) - Arbeitsgruppe Digital Soil Mapping Talk given at a conference Harmonisierung Profil- und Flächendaten in der Schweiz: Stand und Ausblick 10.04.2014 Tübingen, Germany Keller Armin;
Böden und ihre Rolle im Ökosystem besser verstehen: Eine systemische Betrachtung - BGS Jahrestagung Talk given at a conference Bodenfunktionsbewertung: die Rolle des Bodens anderen Fachdisziplinen kommunizieren 14.02.2014 Changin, Switzerland Keller Armin; Della Peruta Raniero; Schulin Rainer;
Swiss Geoscience Meeting Talk given at a conference NRP68 projects PMSoil, iMSoil, OPSOL: From legacy soil data and element cycles in agro-ecosystems to a land use decision support system for sustainable use of soils 16.11.2013 Lausanne, Switzerland Schulin Rainer; Della Peruta Raniero; Schaepman Michael E.; Keller Armin;
Protection of soil functions – challenges for the future Poster Towards soil function assessment methods for Switzerland 15.10.2013 Pulawy, Poland Keller Armin;
Protection of soil functions – challenges for the future Talk given at a conference Towards soil function assessment methods for Switzerland 15.10.2013 Pulawi, Poland Keller Armin;
Soils in Space and Time Talk given at a conference Sensitivity analysis, calibration and validation of EPIC for modelling soil nutrients and organic carbon dynamics in Swiss agro-ecosystems 30.09.2013 Ulm, Germany Keller Armin; Schulin Rainer; Della Peruta Raniero;
Annual meeting of the German Soil Science Society Poster Bewertungsmethoden für Bodenfunktionen in der Schweiz? 09.09.2013 Rostock, Germany Schaepman Michael E.; Della Peruta Raniero; Schulin Rainer; Keller Armin;


Knowledge transfer events

Active participation

Title Type of contribution Date Place Persons involved


Self-organised

Title Date Place
Belastung von landwirtschaftlichen Flächen durch Schwermetalleinträge aus Mineraldüngern 22.10.2015 Bern, Switzerland
Seminar Nachhaltige Stoffkreisläufe auf landwirtschaftlich genutzten Böden 23.06.2015 Bern, Switzerland

Communication with the public

Communication Title Media Place Year
Media relations: print media, online media Agrarumweltindikator Schwermetallbilanzen und zeitliche Veränderungen von Nährstoffen Agrarbericht 2014 German-speaking Switzerland Western Switzerland Italian-speaking Switzerland 2014
Print (books, brochures, leaflets) Kompetenzzentrum Boden: Servicestelle für Kantone und Bund Western Switzerland German-speaking Switzerland 2014
New media (web, blogs, podcasts, news feeds etc.) Nationales Bodeninformationssystem NABODAT webseite Western Switzerland German-speaking Switzerland 2013

Associated projects

Number Title Start Funding scheme
161896 Development of a spatially distributed Land Management Model for the Swiss Plateau linking agricultural management to soil services and policies 01.01.2016 NRP 68 Sustainable Use of Soil as a Resource

Abstract

Agricultural systems are the most intensively managed ecosystems in Switzerland and agricultural soils receive large amounts of material in form of organic and inorganic fertilizers and soil amendments. These materials can also contain low concentrations of pollutants, especially trace metals. Moreover, the application of agrochemicals such as pesticides may adversely affect soil functions. Since gradual accumulation of pollutants in soil over many decades is a serious threat to soil functions, agricultural land management is of crucial concern for a sustainable use of the scarce soil resources. Soil monitoring provides evidence on the state and change in our soils and underpins policy development and the evaluation of their effectiveness. However, the development of monitoring tools for soils has lagged behind those for air and water. There is a lack of monitoring tools coupling measured changes (direct monitoring) to soil process and land management models (indirect monitoring) in order to understand and explain the dynamics in soils. The proposed project aims to develop and implement an integrated modeling framework as an extended soil monitoring tool for soil pollutants in Switzerland. The monitoring tool enables the detection and prediction of trends in land use change, agricultural management and their impact on soil functions at multiple scales (early warning tool). For this task, model components for land use change provided by remote sensing techniques, agricultural land management, soil processes and socio-economic boundary conditions using an agent based model will be combined. The monitoring tool will be tested for benchmark sites of the Swiss Soil Monitoring Network (NABO) as well as for regional case studies. Long-term inputs, outputs and soil pools for nutrients, trace metals and pesticides for agricultural soils will be calculated and their impact on soil functions assessed. A set of indicators for sustainable management options will be developed and optimal management strategies identified in an iterative procedure. The integrated modelling framework serves as a decision support system at farm and regional scale providing spatially explicit predictions and identifying trade-offs between socio-economic drivers and the preservation of soil functions.
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