Wasser- und Stoffhaushalt
Titel des Teilprojektes:
Konsequenzen von Landnutzungsänderungen für den Wasser- und Stoffhaushalt
Einführung:
Das Teilprojekt ist auf die Untersuchung des Stoff- und Wasserhaushalts unter Klima- und Landnutzungsänderungen gerichtet. Dies erlaubt den Beitrag von Landnutzungsänderungen zu Klimaschutzbezogenen Aktivitäten in Deutschland zu bewerten. Es unterstützt die Beantwortung von Forschungsfragen, wie u. a. Landbewirtschaftung zwischen kohlenstoffoptimierter Landnutzung und weiteren gesellschaftlichen Anforderungen beispielsweise bezüglich Biomasseproduktion durch Land- und Forstwirtschaft ausgestaltet sein sollte.
Institution:
Potsdam-Institut für Klimafolgenforschung (PIK)
Ziele
Das Teilprojekt schätzt mögliche Änderungen im landesweiten Wasser,- Kohlenstoff- und Stickstoffhaushalt unter Landnutzungsänderung und Klimawandel quantitativ ab. Das Ziel ist die Bereitstellung quantitativer Aussagen zu dem Einfluss einzelner Landnutzungsvarianten unter verschiedenen Klimabedingungen, um diese untereinander vergleichen zu können.
Forschungsansatz und Methoden
Simulationskonzept Wasser- und Stoffhaushalt
Quantitative Abschätzungen werden für die aktuelle Landnutzung und mögliche alternative Landnutzungsszenarien in Kombination mit dem aktuellen Klima und Klimaszenarien durchgeführt. Dazu wird ein Modellsystem eingesetzt, das aus dem öko-hydrologischen Modell SWIM und dem Waldwachstumsmodell 4C (http://www.pik-potsdam.de/~lasch/4c.htm) besteht. Das Teilprojekt gehört zum integrierten Modellverbund CC-LandStraD (Module M).
Dazu werden die Modelle unter Verwendung von Beobachtungs- und Satellitendaten sowie Pegelstandsdaten der Flüsse evaluiert. Die Simulationsergebnisse für Wasser-, Kohlenstoff- und Stickstoffhaushaltsgrößen der Land- und Forstwirtschaft können auf verschiedenen administrativen Ebenen und Landschaftseinheiten für ausgewählte Zeiträume aggregiert werden.
Weiterhin stellt das Teilprojekt regionalisierte Klimadaten und Klimaszenarien auf der Basis des IPCC-Sachstandberichtes 4 bereit, die mit dem statistischen Regionalmodell STAR 2.0 erzeugt werden, sowie Klimaszenarien, die auf Anforderungen von Praxispartnern basieren.
Simulationskonzept Wasser- und Stoffhaushalt Forst
Das Ziel der Simulationen mit 4C ist die Analyse der Auswirkungen verschiedener Landnutzungs- und Klimaszenarien auf den Stoffhaushalt der Wälder in Deutschland. Dazu wird eine flächige Repräsentation der Gesamtwaldfläche in Deutschland benötigt. Da das Modell 4C einzelne Bestände simuliert und keine vollständige Erfassung aller Waldbestände vorliegt, muss auf eine repräsentative Stichprobe zurückgegriffen werden. Die beste Datengrundlage einer solchen Stichprobe liefert die Bundeswaldinventur (BWI). Sie ermittelt auf einem regelmäßigen Gitter baumbezogene Parameter für einen Untersuchungsplot (nähere Informationen unter: www.bundeswaldinventur.de). Die Ergebnisse der BWI2 (2002) wurden für 4C aufbereitet und stellen die Ausgangssituation für die Simulationen dar. Dabei wurden Vereinfachungen in der Bestandsstruktur vorgenommen, da nicht die genaue Entwicklung eines einzelnen Waldbestandes interessiert, sondern die Aggregation des Waldes auf Kreis-, Landes- und Bundesebene. Aus den Informationen des Untersuchungsplots wurden die Informationen Baumart und Alter entnommenen. In einem zweiten Schritt wurden diesen Beständen die bundesland-, baumarten- und altersklassenspezifischen mittleren Parameter Höhe, Durchmesser und Grundfläche zugeordnet und danach für die Simulation mit 4C initialisiert. Jeder einzelne Bestand wurde dann über die zugehörige Waldfläche (ermittelt über Satellitendaten: http://www.corine.dfd.dlr.de) gleichmäßig verteilt (siehe Abbildung). Es werden nur die Baumartengruppen Fichte, Kiefer, Douglasie, Buche und Eiche (keine Unterscheidung von Traubeneiche und Stieleiche) von 4C berücksichtigt.
Ergebnisse
Ergebnisse landwirtschaftliche Landnutzung
Deutschlandweite SWIM-Simulationen zur quantitativen Abschätzung verschiedener Landnutzungsszenarien in Kombination mit Klimaszenarien wurden auf Grundlage eines Deutschlandweit einheitlichen Datensatzes durchgeführt. Die Modell-Eingangsdaten setzen sich aus den Bodendaten der BÜK 1000, der Landnutzungskarte CORINE, einer Flusseinzugsgebietskarte, einem digitalen Höhenmodel und Klimadaten zusammen. Details können in Huang et al. (2010) eingesehen werden.
Im ersten Schritt wurden sogenannte historische Simulationen (1951-2010) durchgeführt, um die konkrete Anwendbarkeit des Modells zur Simulation von Wasser- und Stoffflüssen unter Landnutzungsszenarien zu prüfen. Für das Modell SWIM wurde zunächst ein Focus auf die Simulation von landwirtschaftlichen Erträgen gelegt, weil diese die Schlüsselgröße für Wasser-, Kohlenstoff- und Stickstoffflüsse in der Landschaft und am Abfluss von Flüssen darstellen. Simulierte Erträge von Winterweizen und Silomais wurden anhand von statistischen Ertragsdaten auf Landkreisebene für Gesamtdeutschland evaluiert (siehe Abbildung).
Zusammengefasst zeigen die Ergebnisse, dass das Modell im Durchschnitt 66 % der interannuellen Ertragsschwankungen für die Jahre 1991 - 2010 für Silomais auf Bundeslandebene erklären kann. Dieser Wert schwankt zwischen 37 % in Schleswig-Holstein und 92 % in Brandenburg. Hier wird ein deutlicher Trend sichtbar, dass die Simulationsergebnisse insgesamt für die trockeneren Regionen im Osten Deutschlands besser sind als für feuchtere Regionen im Westen Deutschlands. Die Ergebnisse für Winterweizen zeigen eine geringere Güte, weil die Simulation einer Winterfrucht einen höheren Anspruch an die Verfügbarkeit von Eingangsdaten als auch an die Prozessauflösung in einem Modell stellt. Grundsätzlich liegen die erzielten Ergebnisse innerhalb international publizierter und vergleichbarer Modellergebnisse für die Ertragsmodellierung in der Fläche.
Referenz:
Huang, S., Krysanova, V., Österle, H., Hattermann, F.F., 2010. Simulation of spatiotemporal dynamics of water fluxes in Germany under climate change. Hydrological Processes 24, 3289-3306.
Ergebnisse forstliche Landnutzung
Zuerst wurde überprüft, ob die beschriebene Methodik hinreichend genau ist, um in der Aggregation die durch die BWI ermittelten Ergebnisse abzubilden. Das Modell 4C überschätzt leicht den Holzvorrat und die Flächenanteile der Baumarten. Das liegt vor allem daran, dass andere Baumartengruppen als die oben genannten nicht berücksichtigt werden konnten. Insgesamt wird aber das Verhältnis unter den Baumartengruppen sehr gut abgebildet. Das gilt für die Gesamtwaldfläche in Deutschland (siehe Abbildung) und auch für die einzelnen Bundesländer.
Mit dem Waldwachstumsmodell 4C wurden Analysen des Kohlenstoff- und Wasserhaushalts der Wälder in Deutschland, basierend auf der Datengrundlage der BWI2, mit zwei Klimaszenarien( 0K – kein Temperaturanstieg und RCP8.5) und fünf Landnutzungs-/ Bewirtschaftungsstrategien für den Zeitraum 2011 - 2050 durchgeführt. Es wurden zu der Referenzbewirtschaftung 4 alternative Bewirtschaftungsstrategien entwickelt, die sich vor allem in der Baumartenzusammensetzung, der Durchforstungsstärke, dem Endnutzungszeitraum und dem Anteil der ungenutzten Waldfläche unterscheiden. Eine erste Auswertung der Resultate zeigt, dass die Bewirtschaftung den Kohlenstoffhaushalt deutlich beeinflusst und sich hier die Auswirkungen der Klimaszenarien hingegen kaum unterscheiden. Die bisherige Bewirtschaftung (Ref), aber vor allem die Biomasse (BS)- und Anpassungsstrategie (AS) führen zu Verlusten in der Kohlenstoffspeicherung in der Bestandesbiomasse (ober- und unterirdisch), während die Klimaschutz (KS)- und Naturschutz- und Umweltschutzstrategie (NUS) zu höherer Kohlenstoffspeicherung in der Biomasse führen (Abbildung 1).
Die Erntemengen sind ebenfalls stark von der Bewirtschaftungsstrategie beeinflusst und sind vor allem für die Biomasse- und Anpassungsstrategie deutlich höher als für die anderen Strategien. Die höchsten Kohlenstoffflüsse in das Totholz werden für die Naturschutzstrategie ermittelt, die geringsten für die Biomassestrategie. Die Kohlenstoffakkumulation im Boden ist kaum von der Bewirtschaftung beeinflusst. Das Szenario RCP8.5, das einen deutlichen Temperaturanstieg zeigt, führt aber zu geringerer Kohlenstoffakkumulation im Boden als das 0K-Szenario.
Die mittlere jährliche Verdunstung und Versickerung sind kaum sensitiv bezüglich der Wahl der Bewirtschaftungsstrategie. Die Verdunstung steigt unter dem Klimaszenario RCP8.5 gegenüber dem 0K-Szenario leicht an. Die Versickerung verringert sich dagegen deutlich unter dem Klimaszenario RCP8.5, unabhängig von der Bewirtschaftung (Abbildung 2).
Kontakt
Wissenschaftliche Leitung
Dr. Frank Wechsung
Mitarbeit
Tobias Conradt
Pia Gottschalk
Martin Gutsch
Dr. Fred Hattermann
Petra Lasch
Dr. Felicitas Suckow
