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

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.

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).

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).

Wissenschaftliche Leitung
Dr. Rene Dechow

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