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Treibhausgase - 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 pH und 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., & 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., & Freibauer, A. (2011). Assessment of German nitrous oxide emissions using empirical modelling approaches. Nutrient Cycling in Agroecosystems, 91(3), 235-254.

Henseler, M., & 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., ... & Strömgren, M. (2014). Nitrous oxide emission budgets and land-use-driven hotspots for organic soils in Europe. Biogeosciences, 11(23), 6595-6612.

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