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Treibhausgase

Titel des Teilprojektes:
Modellierung landnutzungsbedingter Treibhausgas-Emissionen in Land und Forstwirtschaft

Einführung:
Der Landnutzung kommt bei der Minderung von Treibhausgas-Emissionen (THG) aus zwei Gründen eine Schlüsselrolle zu:

  1. Landnutzungsbedingte Emissionen tragen maßgeblich zum Totalaufkommen deutscher THG-Emissionen bei. Der Anteil berichtspflichtiger THG-Emissionen, die sich unmittelbar und mittelbar aus Landnutzung ergeben, liegt laut nationalem Treibhausgasinventar des Jahres 2010 (NIR 2010) bei ca. 10 %.
     
  2. Die Substitution fossiler Energieträger ist durch nachwachsende Rohstoffe ein Kernelement bei der Reduktion anthropogener THG-Emissionen in Deutschland.

Neben der Relevanz für das THG-Aufkommen sind vor allem die verringerte Abhängigkeit von importierten fossilen Energieträgern und die erhöhte Wertschöpfung in der Landwirtschaft Aspekte, die für einen intensivierten Anbau von Bioenergieträgern sprechen (Breitschuh et al. 2009). Die potentielle THG-Senkenfunktion genutzter Landflächen ist im Vergleich zu den berichteten Nettoemissionen (NIR 2010) erheblich.

Eine wissenschaftlich fundierte Beschreibung und Modellierung der durch Landnutzung verursachten THG-Emissionen unter Berücksichtigung natürlicher und nutzungsbedingter Einflüsse stellt die Grundvoraussetzung für die Evaluierung von Landnutzungsstrategien dar.

Institution:
Thünen-Institut für Agrarklimaschutz
 

Referenzen:
Breitschuh T., Eckert H., Maier U., Gernand U., Müller A. (2009):
Folgeabschätzung einer zunehmenden Bereitstellung von Bioenergieträgern auf die Nachhaltigkeit landwirtschaftlicher Unternehmen, bewertet mit dem Kriteriensystem Nachhaltige Landwirtschaft (KSLN). Texte 20/2009 Umweltbundesamt.

NIR. 2010:
Deutsches Treibhausgasinventar 1990 – 2007; Nationaler Inventarbericht 2010. Berichterstattung unter der Klimarahmenkonvention der vereinten Nationen. Umweltbundesamt. Berlin

Ziele

Dieses Projekt hat folgende wissenschaftliche Zielstellungen:

  1. Verbesserung aktueller Ansätze zur überregionalen Quantifizierung von THG-Flüssen genutzter Flächen, der Tierhaltung und dem Wirtschaftsdüngermanagement unter Differenzierung natürlicher und anthropogener Einflussfaktoren auf genannte THG-Emissionen.
     
  2. Entwicklung von Modellen, welche die Qualität und den Detaillierungsgrad der Klimaberichtserstattung der Sektoren Landwirtschaft und Landnutzung, Landnutzungswechsel wesentlich verbessern.
     
  3. Quantifizierung von THG-Minderungspotentialen unter Berücksichtigung antagonistischer Effekte einzelner Maßnahmen auf Lachgas-, Methan- und Kohlendioxidemissionen entlang von agrarischen Produktionsketten.

Forschungsansatz und Methoden

Das Teilprojekt "Modellierung landnutzungsbedingter Treibhausgas (THG)-Emissionen in Land- und Forstwirtschaft" dient der Entwicklung und Anwendung von Modellansätzen. Diese quantifizieren derzeitige und zukünftige THG-Emissionen aus Landwirtschaft und Forstwirtschaft. Im Vordergrund steht dabei die Differenzierung anthropogener und natürlicher Einflüsse unter dem Aspekt sich zukünftig ändernder Klima- und Nutzungsbedingungen.

Räumlich und zeitlich explizite Modellanwendungen ermöglichen die differenzierte Ermittlung von Emissions- und Verminderungspotentialen ("hot spots"/"hot moments"). Basierend auf den Modellergebnissen werden in diesem Teilprojekt Emissionsminderungsstrategien und Landnutzungsänderungen hinsichtlich ihres Emissionsminderungspotentials bewertet. Dadurch wird der iterative Prozess der von Stakeholdern  unterstützten Szenarienerstellung begleitet.

Folgende Sektoren werden durch die Modellierung abgedeckt:

  • Lachgas- und Methanemissionen land- und forstwirtschaftlich genutzter mineralischer Böden   
    Modell: Fuzzy-Logic basierte Regelsysteme   
  • Lachgas-, Methan- und Kohlendioxidemissionen organischer Böden   
    Modell: Nichtlineare Regressionsgleichungen und Fuzzy-Logic basierte Regelsysteme   
  • Treibhausgas-Emissionen aus der Tierhaltung und dem Wirtschaftsdüngermanagement 
    Modell: GAS-EM
     

Zusammenarbeit mit anderen Teilprojekten in CC-LandStraD:
Eine enge Zusammenarbeit gibt es mit dem Teilprojekt agrarökonomische Modellierung (RAUMIS).

Ergebnisse

1. Die Effizienz von Minderungsstrategien am Beispiel von direkten Lachgasemissionen aus landwirtschaftlich genutzten Böden

Landwirtschaftlich genutzte Böden emittieren Lachgas, ein Treibhausgas mit einer sehr viel höheren Klimawirksamkeit als Kohlendioxid. Dies ist eine Ursache für den relativ hohen Anteil dieser Treibhausgasquelle an den Gesamtemissionen der deutschen Landwirtschaft. Die Produktion von Lachgas in landwirtschaftlichen Böden basiert auf mikrobiellen Umsetzungsprozessen. Die Verfügbarkeit reaktiven Stickstoffs, als Produkt der Mineralisation im Boden oder über die Applikation von stickstoffhaltigen Düngemitteln ist dabei eine wichtige Steuergröße, welche die Höhe Lachgasemissionen bestimmt. Daneben sind es aber vor allem bodenphysikalische und bodenchemische Bedingungen die darüber entscheiden ob und in welcher Menge Lachgas im Boden gebildet wird. Im Gegensatz zu den verbreiteten Emissionsfaktionsansätzen beschreibt das empirische Modell MODE (Dechow and Freibauer et al. 2011) den Einfluss biophysikalischer und chemischer Bedingungen auf die Lachgasbildung unter Verwendung räumlich expliziter Witterungs-, Boden-, und Landnutzungsdaten.

Um den regionalen Einfluss von Minderungsstrategien auf die Lachgasemission mineralischer Böden in Deutschland zu untersuchen, wurde MODE mit dem agrar-ökonomischen Modell RAUMIS über regional spezifizierte N2O Emissionskoeffizienten verknüpft. Nationale Lachgasemissionen aus der Landnutzung wurden mittels integriertem Modell RAUMIS-MODE für die Thünen Baseline 2007-2020 berechnet und mit Ergebnissen aus der Anwendung des IPCC Ansatzes verglichen.  Es zeigt sich, dass sich sowohl die räumliche Verteilung der Emissionen als auch der Trend der nationalen Budgets zwischen beiden Modellierungsansätzen unterscheidet. Während die Anwendung des IPCC Ansatzes einen Anstieg der nationalen Emissionen um 12 % für  landwirtschaftlich genutzter Böden annehmen lässt sind dies für die RAUMIS-MODE Integration nur 9 %.

Exemplarisch wurde im Rahmen dieser Studie der Effekt einer Besteuerung mineralischen Stickstoffs auf Produktivität und Lachgasminderung untersucht. Im Vergleich zur Baseline verringert sich die Lachgasemission um 12-13 %. Wird ein Emissionsfaktoransatz verwendet sind die höchsten Reduktionen sind in Regionen zu beobachten, die durch geringere Viehhaltungsdichten und ertragsschwächere Standorte gekennzeichnet sind (Brandenburg, Mecklenburg, Sachsen). Die Wasserlimitation durch geringe Jahresniederschläge in Kombination mit sandigen Böden ist für diese Regionen ein Faktor, der die Produktivität der Pflanzenaufzucht prägt. Da auf der anderen Seite die Denitrifikation partiellen Sauerstoffmangel und damit vergleichsweise hohe Bodenwassergehalte verlangt zeichnen sich diese Regionen auch durch geringe Lachgasreduktionspotentiale aus, wie die Anwendung von MODE zeigt (Henseler und Dechow 2014).

(Karten zum Herunterladen als PDF, nicht barrierefrei, 140 KB)

 

2. Modellierung regionalspezifischer Treibhausgasemissionen organischer Böden

Im nationalen Klimagasinventar werden Emissionen der Treibhausgase Kohlendioxid, Methan und Lachgas aus organischen Böden über landnutzungsspezifische Emissionskoeffizienten berechnet. Die Abhängigkeit der Lachgasemissionen organischer Böden von Grundwasserstandflurabstand und Düngungsintensität vor dem Hintergrund lokaler Bodeneigenschaften und Witterungsbedingungen wird durch die IPCC Emissionskoeffizienten nur unvollständig abgebildet,

Im Rahmen einer Metastudie wurde eine Datenbank bestehender Messreihen von Treibhausgasen organischer Böden erstellt und statistisch ausgewertet. Hierbei erwies sich der mittlere Grundwasserflurabstand als wesentliche Steuergröße für die Emission von Kohlendioxid und Methan. Im Gegensatz zu Kohlendioxidemissionen, die positive mit Grundwasserflurabständen korrelieren werden Methanemissionen durch geringe Wasserstände gefördert. Die Menge leicht verfügbarer organischer Biomasse (Pflanzenresiduen) ist eine wesentliche Steuergröße der Methanogenese während der Methanabbau über die Verfügbarkeit von Sauerstoff und reaktiven Stickstoffs in der Bodenzone gefördert wird. Wie auch in Studien zu Lachgasemissionen mineralischer Standorte erwies sich die jährliche Stickstoffdüngung als entscheidend für Lachgasemissionen von Grünland über organischen Böden, während pHund mittlere Jahreswasserstände die wesentlichen Erklärungsparameter für Lachgasemissionen auf Ackerstandorten waren.

Zur Beschreibung dieser Zusammenhänge wurden empirische Modelle entwickelt, kalibriert und evaluiert. Zusammen mit den Modellen wurden Monte Carlo Verfahren implementiert, die es erlauben Unsicherheiten bei der Regionalisierung abzuschätzen. Szenarien mit den erstellten Modellansätzen haben gezeigt, dass etwa 80 - 90 % der Kohlendioxidemissionen auf anthropogene Nutzung zurückzuführen sind, während dies für Lachgas auf 80 - 85 % der emittierten Emissionen zutrifft (Leppelt et al. 2014). Methanemissionen hingegen treten verstärkt in Kombination mit geringen Grundwasserflurabtständen auf.

Die in den CC-LandStraD Modellverbund integrierten Modelle zur Modellierung der Treibhausgasemissionen organischer Böden führen in Verbindung mit regionalisierten Grundwasserstandskarten (Bechtold et al. 2014) zu verbesserten Schätzungen der Treibhausgasemissionen organischer Böden.

(Karten zum Herunterladen als PDF, nicht barrierefrei, 146 KB)

 

Referenzen

Bechtold, M., Tiemeyer, B., Laggner, A., Leppelt, T., Frahm, E., and Belting, S. (2014). Large-scale regionalization of water table depth in peatlands optimized for greenhouse gas emission upscaling. Hydrology and Earth System Sciences, 18(9), 3319-3339.

Dechow, R., and Freibauer, A. (2011). Assessment of German nitrous oxide emissions using empirical modelling approaches. Nutrient Cycling in Agroecosystems, 91(3), 235-254.

Henseler, M., and Dechow, R. (2014). Simulation of regional nitrous oxide emissions from German agricultural mineral soils: A linkage between an agro-economic model and an empirical emission model. Agricultural Systems, 124, 70-82.

Leppelt, T., Dechow, R., Gebbert, S., Freibauer, A., Lohila, A., Augustin, J., ... and Strömgren, M. (2014). Nitrous oxide emission budgets and land-use-driven hotspots for organic soils in Europe. Biogeosciences, 11(23), 6595-6612.

Konatkt

Wissenschaftliche Leitung
Dr. Rene Dechow

Mitarbeit
Katrin Brautzsch
Dr. Annette Freibauer
Sören Gebbert
Dr. Hans-Dieter Haenel
Claus Rösemann

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