Jürg Fuhrer, 29.6.2004

Chance und Risiken biologischer Kohlenstoffsenken –Was und wieviel wissen wir?

ETH Zürich, 29. Juni 2004

Kohlenstoff-Senken und -Quellen landwirtschaftlicher Flächen und BödenJürg Fuhrer und Jens Leifeld

Eidg. Forschungsanstalt für Agrarökologie und LandbauLufthygiene/Klima8046 Zürich

Jürg Fuhrer, 29.6.2004

Inhalt

• Kohlenstoff in Agrarökosystemen• C-Sequestrierung• Das Potenzial von Massnahmen• Treibhausgasbilanz• Ausblick

Jürg Fuhrer, 29.6.2004

Landnutzung in Europa

Jürg Fuhrer, 29.6.2004

Jährlicher Boden C-Fluss

(t C ha-1 a-1)

Senk

e →

←Q

uelle

Jürg Fuhrer, 29.6.2004

Verteilung der Boden C-Flüsse (Simulation)

Vlee

shou

wer

s&

Verh

agen

, 200

2

Ackerland Grasland

Quelle Senke

(t C ha-1 a-1)

Jürg Fuhrer, 29.6.2004

Böden als CO2-Quellen und -Senken

• Landwirtschaftsböden in Europa (bis zum Ural):(Janssens et al., 2001)

Ackerland: - 300 Tg C a-1 (± 186)

Grasland: +101 Tg C a-1 (± 133)

→Grösste biosphärische Quelle für CO2 in Europa

→Grösste Unsicherheit aller Flüsse

→Bedeutendes Potenzial zur Verringerung des C-Flusses in die Atmosphäre, und zur netto C-Bindung durch Veränderung der Bewirtschaftung

Jürg Fuhrer, 29.6.2004

Kohlenstoff in der Landwirtschaft

soil

(0 -100cm)

-Kunstwieserotation:

Oberirdische Biomasse0.9%

Unterirdische Biomasse1.6%

Boden- C97.5%

Boden90 t OC ha-1

-100cm)

Acker-Kunstwieserotation:

Oberirdische Biomasse0.9%

Unterirdische Biomasse1.6%

Boden-97.5%

Pflanzen-biomasse

→ Für landwirtschaftliche Aktivitäten ist der Boden-C entscheidend

Jürg Fuhrer, 29.6.2004

C-Flüsse in Agrarökosystemen

Netto

Photosynthese

Ernte

CO

2 Em

issi

on

Stabile Fraktion

Organischer Boden-Kohlenstoff

Wur

zeln

Ernt

erüc

kstä

nde

Org

anis

che

Dün

ger

Exud

ate

Labile Fraktion

Auswaschung

Jürg Fuhrer, 29.6.2004

Boden C-Pools

Physicallyprotected

soil C

Biochemicallyprotected

soil C

Unprotectedsoil C

Unprotectedsoil C

Microaggregateassociated soil C

Silt- and clay-associated soil C

Non-hydrolyzablesoil C

Aggregate turnover Adsorption/desorption

Condensation/complexation

CO2

CO2

CO2

CO2

Litter quality

Konzeptionelles Model der organischen Bodensubstanz (SOM) Dynamik mit messbaren Pools (Six et al., 2002).

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Steuerungsgrössen für Boden C

Boden C

AbiotischTemperaturFeuchtigkeitDurchlüftung

BewirtschaftungBodenbearbeitungDüngungErnterückständeOrganische Zugaben

BodeneigenschaftenTexturTonmineralogieBodentiefepH

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C-Verteilung im Boden

0 2 4 6 8 10

Bod

entie

fe (c

m)

0

20

40

60

80

100

Corg (%)

Leifeld et al., 2003

(einschl. Alpweiden)Dauergrünland

AckerlandKunstwiesen

Jürg Fuhrer, 29.6.2004

Einfluss von Landnutzung und Tongehalt

14

0

2

4

6

8

10

12

< 20% Ton20 to 40% Ton> 40% Ton

AckerbödenKunstwiesenDauergrünland (< 1000 m üM)Dauergrünland (> 1000 m üM)

a* b c d a b c

Landnutzung: Wiesland höhere Lagen > Wiesland tiefere Lagen > Kunstwiese > AckerTongehalt: Positiver Einfluss; besonders wichtig bei Mittellandböden

Leifeld et al., 2003

0

2

4

6

8

10

12

Cor

g(%

)

Jürg Fuhrer, 29.6.2004

Einfluss der Höhenlage

Höhe0 500 1000 1500 2000 2500 3000

C-V

orra

t 0-2

0 cm

(t h

a-1)

0

10

20

30

40

50

60

70

C-G

ehal

t 0-2

0 cm

(%)

0

5

10

15

Günstiges Wiesland

Ungünstiges Wiesland

Höhenlage: Einfluss der TemperaturZusätzliche Steuerungsgrössen: Profiltiefe und Skelettgehalt (Alpen und Jura)

Leifeld et al., 2003

Jürg Fuhrer, 29.6.2004

Boden- und Landnutzungstyp

Cor

g(t

ha-1

)

0

200

800

1000

1200

1400

1600

1800AckerKunstwiesegünstiges Wieslandungünstiges Wiesland und alpwirtschaftliche Nutzflächenintakte Moorekultivierte Moore

Kohlenstoffgehalte

Mineralische Böden

Organische Böden

100

1. Mineralböden: 0-100 cm; Moore: 0-200 cmLeifeld et al., 2003

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C-Abbau in organischen Böden

Jahr1850 1900 1950 2000 2050 2100 2150 2200 2250 2300O

rgan

isch

er K

ohle

nsto

ff (M

io t)

0

5

10

15

20Untergrenze

⇒ C-Vorrat in organischen Böden: 712 – 1042 t ha-1

Bewirtschaftete Fläche seit 1885: 17‘000 ha

40Mittlere Abbaurate 9.52 t C ha-1 a-1

35

Obergrenze 11.68 t C ha-1 a-130

25 7.34 t C ha-1 a-1

Leifeld et al., 2003

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Abschätzung des gesamten C-Vorrats

Boden-Datenbank

Bodeneignungs-karte

Geländemodell

Landnutzung -Gemeinde

Arealstatistik

Moorinventare

Kultivierte Moore (Schätzung)

Steuerungsgrössen: Stat. Beziehungen

Steuerungsgrössen: Raumbezug

C-Vorrat in Mineralböden

C-Vorrat in organischen

Böden

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Kohlenstoffvorräte

Höhenstufe (m)

Koh

lens

toffv

orra

t (M

ioTo

nnen

) Koh

lens

toffv

orra

t (M

ioTo

nne

10

20

30

Mineralische Böden Organische Böden(kultiviert)

Ackerland

Kunstwiese

Dauergrünland

Organische BödenIntakte Moore

0 500 1000 1500 2000 25000

5

10

15

20

arable (mineral soils)temporary grassland (mineral soils)permanent grassland (mineral soilsorganic soils (cultivated)intact peatlands Total 170 Mt C

davon 28% in intakten und kultivierten Mooren (37‘000 ha)

n)

60

50

40

Leifeld et al., 2003

Jürg Fuhrer, 29.6.2004

Änderung der Landnutzung

Zeit

Gleichgewicht 1 Messbar?

Gleichgewicht 2

Bod

en C

∆C<0 ∆C≈ 0 ∆C>0

Beginn derKultivierung

Nutzungs-änderung

Jürg Fuhrer, 29.6.2004

Quantifizierung der SenkenProblem: Veränderungen benötigen z.T. Jahrzehnte, bis sich neue Gleichgewichte einstellen, d.h. die Raten sind klein

Methoden: 1a) Direkte Messung (Boden-C; Eddy-Korrelation)1b) Empirisch-deterministische Modelle

Poolstruktur Modelle:

Aktiver Corg

Passiver Corg

Intermediärer CorgValidierung

Poolgrössen

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FAL „Kyoto-Wiese“ 2002-?

Extensiv Intensiv

Jürg Fuhrer, 29.6.2004

Bilanz des netto CO2 Fluss

-12

-10

-8

-6

-4

-2

0

2

4

6

8Tag Nacht Netto Bilanz

CO

2A

usta

usch

[t C

ha-1

a-1

]

INT EXT

INT EXT

INT EXT

10%

10%10%

10%

29%32%

Am

man

n et

al,

unpu

bl.

Jürg Fuhrer, 29.6.2004

Pfluglose Bewirtschaftung (no-till)

-500

0

500

1000

1500

0 5 10 15 20 25

Years under no-till

(NT

-CT

) (g

C/m

2) heavy-textured soils all other textures US Experimente(20-25 cm)

Paustian, 2003

Tongehalt (%)0 10 20 30 40 50 60

Cor

gÄ

nder

ung

(% a

-1)

-1

0

1

2

3 CH ExperimenteLeifeld et al., 2003

Dauer (Jahre)0 5 10 15 20 25 30 35 40

Cor

gÄ

nder

ung

(% a

-1)

-1

0

1

2

3

Jürg Fuhrer, 29.6.2004

Bewirtschaftung der AckerkulturenLexington, KY

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

0 84 168 336

N fertilizer rate (kg/hectare/year)

Mg

soil

C p

er h

ecta

replow tillno till

Paus

tian,

200

3

Carbon stocks in no-till vs plow treatments under continuous maize and different fertilizer levels after 25 years.

Jürg Fuhrer, 29.6.2004

Umwandlung von Acker- in Grünland

0

5

10

15

20

25

30

0 1Zuna

hme

in C

org

(0-3

0 cm

) (t h

a-1 )

semi-aridhumid

0 20 30Jahre

Paustian, 2003

Jürg Fuhrer, 29.6.2004

C-Sequestrierung: Raten

C-Akkumulation (t C ha-1 a-1)Hofdünger (10 t ha-1) 0.2-0.5Klärschlamm 0.25Ernterückstände/Stroh 0.2 Acker- zu Grünland 0.3-0.5No till 0.2-0.4Acker- in Grünland 0.3-1.0Extensivierung 0.5

Leifeld et al., 2003, Dendoncker et al., 2004

Jürg Fuhrer, 29.6.2004

Smith et al. (2000)

0

10

20

30

40

50

60

70

Manure Sludge Straw No-till ExtensificationWoodland

Bioenergy

Land Management Change

Max

imum

C M

itiga

tion

Pote

ntia

l (T

gC

-

0

1

2

3

4

5

6

% O

ffse

t of 1

990

Eur

opea

n C

O2-

C e

mis

sion

s y-1

)

C-Sequestrierung: EU-15 Potenziale

Jürg Fuhrer, 29.6.2004

Gesamtbilanz der Treibhausgase

= CO2 only= with trace gases

0

10

20

30

40

50

60

70

Manure Sludge Straw No-till ExtensificationWoodland

Bioenergy

Land Management Change

Max

imum

C M

itiga

tion

Pote

ntia

l (T

gC

y

0

1

2

3

4

5

6

% O

ffse

t of 1

990

Eur

opea

n C

O2

Em

issi

ons

= CO2-C alone= CO2-C plus N2O and CH4

Smith et al. (2001)

-1)

Jürg Fuhrer, 29.6.2004

A: Stillegung von Ackerflächen (z.B. Umwandlung der Rotations-brachen in Dauerbrachen)

B: Umwandlung von Acker- zu Grünland auf organischen BödenC: Komplette Umstellung auf reduzierte Bodenbearbeitung im Ackerbau

(hauptsächlich Direktsaat)D: Umwandlung der gesamten Ackerfläche in DauergrünlandE: Renaturierung aller kultivierten Moore

Senkenpotential in der Schweiz

Leifeld et al., 2003

Jürg Fuhrer, 29.6.2004

Senkenpotential in der Schweiz

Berücksichtigt man die dafür verfügbare Fläche, so ergibt die Kombination der Massnahmen D und E für die Schweiz jährlich eine theoretisch maximale Menge von 309’000 t C (Bereich 213’000-404’000 t).

→ Maximal: 1,1 Mio t CO2 Einsparung, was etwa 27% der Schweizer Kyoto-Verpflichtung entspricht.

Vergleich Europäische Union (EU-15): durch Ausdehnung der pfluglosen Bewirtschaftung auf 30% und reduzierte Bodenbearbeitung auf 40% der Ackerfläche

→ Jährliche Einsparung von ca. 15 Mio t CO2, was etwa 40% der EU Kyoto-Verpflichtung entspricht.

Jürg Fuhrer, 29.6.2004

C-Senkenpotenzial vs. Emission von CH4 + N2O

Leifeld et al., 2003

CO

2Ä

quiv

alen

te (G

g a-

1 )

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000Direktsaat 2000Potenzielle Senke (Renaturierung org. Böden plus Umwandlung Ackerland)CH4 plus N2O Emissionen Landwirtschaft 2000

= 21% von CH4+N2O

Jürg Fuhrer, 29.6.2004

Vergleich von CO2 Äquivalent-Flüssen

-3

-2

-1

0

1 N2O-Emission

CO

2Ä

quiv

alen

t 2

3

4

5e

(Mta

-1)

Senken-PotenzialLandwirt-

schaft

Heutige Verluste

org. BödenCH4- No till

Emission 2000

Wald-Senke

HeutigeVerluste durchUrbanisierung

Leifeld et al., 2003

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Begrenzung des Senkenpotenzials

Maximum Minimum

Potenzial der C-Sequestrierung

BiologischesPotenzial

Ökonomisch begrenztesPotenzial

Biologisch/physikalischbegrenztes Potenzial

(Bodeneignung)

Sozial/politisch begrenztesPotenzial= realistisch erreichbaresPotenzial (~10% des biologischen Potenzials)

Jürg Fuhrer, 29.6.2004

Schätzungen Sequestrierungspotenzial(EU-15 Ackerland)

Untere Grenze

1

C S

eque

strie

rung

spot

enzi

al 2

010

(Tg

a-1 )

-50

0

50

100

150

200Obere Grenze

1 = Vleeshouwers & Verhagen (2002)2 = Smith et al. (1997, 2000)3 = Freibauer et al. (2004)4 = Smith et al. (2004)

2 3 4

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Künftige Entwicklung

Boden C Vorrat bis 30 cm (t C ha-1) – ohne organische Böden

60

70

80

90

10012 23 34 45 56 67 78 89 100

111

122

133

144

155

166

177

188

199

Jahre nach 1900

Bod

en C

Vor

rat (

t C h

a-1 ) SRES climate only

SRES-B2 plus convertgrassland to arable in 2000

Verlust (2001-2100) von 37.7 t C ha-1 im Vergleich zu Verlust von 9.5 t C ha-1 infolge Klimaveränderung (Smith 2004, unpublished)

Jürg Fuhrer, 29.6.2004

Ausblick

• Landwirtschaftliche Senke: - Kleiner als die Waldsenke- Relevant im Vergleich zu CH4 und N2O

• Ausnutzung nur bei erheblichen Veränderungen der landwirtschaftlichen Struktur

• Im internationalen Vergleich ist Potenzial klein: Landwirtschaftliche Struktur, naturräumliche Bedingungen und massvollere Vornutzung wirken limitierend

Jürg Fuhrer, 29.6.2004

Ausblick• Organische Böden aufgrund hoher C-Gehalte und

grosser Gasflüsse besonders relevant

• Historische Kohlenstoffverluste durch Moor-kultivierung, Urbanisierung, Landnutzungs-änderung: Kompensation durch landw. Senken nicht möglich!

• Landwirtschaftlicher Beitrag durch Anbau von Energiepflanzen bedeutungsvoller als C-Senken

Jürg Fuhrer, 29.6.2004

Danke!