Gefördert durch internen · 2015. 12. 1. · Nur zur internen Verwendung. CC-LandStraD...

Gefördert durch

Auswirkungen von Landnutzung und Klimawandel auf den

Landschaftswasserhaushalt und Stoffflüsse

Wechselwirkungen zwischen Landnutzung und Klimawandel

25./26. Februar 2013 – CC-LandStraD Zwischenkonferenz

Pia Gottschalk, Frank Wechsung - PIK

2CC-LandStraD Zwischenkonferenz / PIK

Analyse von Zielkonflikten zwischen Ökosystemleistungen unter verschiedenen Managementszenarios und Klimawandel• z.B. Biomasseproduktion für Bioenergie ~ Kohlenstoffspeicherung• z.B. Biomasseproduktion für Bioenergie ~

Grundwasserneubildungsraten, Grundwasserqualität

Methode zur Beantwortung solcher Fragen• Öko-hydrologisches Modell: SWIM• Deutschlandweite Anwendung des Modells• Simulation verschiedener Managementszenarien• Simulation verschiedener Klimawandelszenarien

Auswertung der Modellergebnisse• Wie interagieren Management und Klimawandel• Welche Ökosystemleistungen profitieren, welche werden

benachteiligt

Forschungsfragen

DokumentationTagung "Wechselwirkungen zwischen Landnutzung und Klimawandel"

Braunschweig, 25./26. Februar 2013

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• SWIM = Soil and Water Integrated Model• Semi-verteiltes Öko-hydrologisches Modell• Räumliche Auflösung: hydrologisch-homogene Modelleinheit [~ha]• Zeitliche Auflösung: täglich

SWIM

Der räumliche Modellierungsansatz


Temperatur(min, max, mit.)

Rel. Luftfeuchte

Strahlung

Niederschlag

Hydrologische Modellprozesse

Boden-schichten

Gewässer-abfluss

Zwischen-abfluss

Oberflächen-abfluss

KapillarerBodenwasseraufstieg

Versickerung≈ Grundwasserneubildung

Versickerung

Evapotranspiration

Flacher Grundwasserleiter

Tiefer Grundwasserleiter



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Ökologische Modellprozesse

• 15 Landnutzungstypen o Landwirtschaft, Grünland, Wald/Forst, Wasser,

Siedlungsflächen …• Pflanzenarten (ca. 76 Standartparameterisierungen)

o verschiedene landwirtschaftliche Kulturen, Zwischenfrüchte, Waldtypen, Grünland-Management

• Blattflächenindex- & (ober- & unterirdische) -Biomasseentwicklung o Temperatursummen-Ansatz

o Lichtnutzungseffizienz (Umwandlung von photosynthetisch aktiver Strahlung → Biomasse)

• Erträge (Ernteindex)


Kohlenstoff- und Stickstoffprozesse des Modells

Kohlenstoffassimilation (Photosynthese)Bodenatmung

Kohlenstoff- & Stickstoffabbau (Abbauprozess erster Ordnung)

NO3- Auswaschung

Standort: Gebesee

N- Nitrifikation &Denitrifikation



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Beispiel-Eingangsdatensatz für die Altmark


CORINE Landnutzungskarte

Modell Eingangsdaten (Beispiel Altmark)

Landnutzungskarte + Bodenkarte + Teileinzugsgebietskarte + Höhenmodel = Hydrotopkarte



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BÜK 1000 Bodenkarte





BÜK 1000 BodenkarteTeileinzugsgebietskarte



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BÜK 1000 BodenkarteTeileinzugsgebietskarteHöhenmodell





BÜK 1000 BodenkarteTeileinzugsgebietskarteHöhenmodellHydrotopkarte



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BÜK 1000 BodenkarteTeileinzugsgebietskarteHöhenmodellHydrotopkarte

Klimastationen desDWD


Modellhafte Abbildung der Vielfalt landwirtschaftlicher

Kulturen durch Generierung von Fruchtfolgen



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• „Sequenz“ ≈ zeitliche Abfolge der landw. Kulturen

• „Rotation“ ≈ räumliche Verteilung der landwirtschaftlicher Kulturen

• Feld-spezifische Fruchtfolgen unbekannt• Räumliche Verteilung bekannt (jährliche landw. Statistiken)• Anwendung eines Optimisierungs-Algorithmus um räumliche

Informationen so über der Zeit zu verteilen, dass gemittelt die räumliche Verteilung getroffen wird

• Grundannahme: unter gegebenen stabilen Rotationen & alle Felder folgen der gleichen Fruchtfolge → Anteil einer Fruchtart im Raum ist gleich ihres Anteils in der Zeit

Fruchtfolgen-Generierung in der Fläche


Mögliche räumliche Verteilung der Ackerfrüchte2000 – 2004 in der Altmark (Modellgenerierung)

keine landw. FlächeKartoffelnSommergersteSilagemaisWintergerste

WinterroggenWinterweizenLuzerneZwischenfruchtZuckerrübeWinterraps

2000

2001

20022003

2004



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Modellevaluierung


Netto-Ökosystem Austausch (NEE) [g C m -2]

Beobachtete Daten zur Verfügung gestellt von Dr. W.L. Kutsch

(Thünen-Institut Braunschweig)

C Verluste

C Gewinne

• NEE als Proxy für Biomasseentwicklung• Die zeitliche Biomasseentwicklung wird vom Model gut abgebildet• Model überschätzt z.T. das Biomassewachstum



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Aktuelle Evapotranspiration

Beobachtete Daten zur Verfügung gestellt von Dr. W.L. Kutsch

(Thünen-Institut Braunschweig)

• Gute Übereinstimmnung zwischen Modell und Daten• Diese Komponente des Wasserhaushaltes wird gut abgebildet


• Erträge sind Schlüsselgröße für Wasser- und Stoffhaushalt in der Landschaft.

• Sie dienen als Proxy für die Biomasseentwicklung, wobei die Biomasse die Verbindung zwischen Wasserhaushalt und Kohlenstoffhaushalt über die Stomata (Photosynthese/Transpiration) ist.

• Weiterhin dienen sie als Proxy für die Rückführung von organischem Material (Kohlenstoff und Stickstoff) in den Boden, was für die Berechnung der Kohlenstoffsequestrierung und des Stickstoffhaushalt ausschlaggebend ist.

Ertragsevaluierung



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Winterweizen-Erträge in der Altmark 1991 - 2006

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1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006

dt/ha

Jahr

beobachtet

simuliert

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dt/ha

Jahr

beobachtet

simuliert

Landkreis Stendal

Altmarkkreis Salzwedel


Winterweizen-Erträge im Elbeeinzugsgebiet 2003

beobachtet simuliert



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Wie wirkt sich verstärkter Biomasseanbau in Form von

Silagemais auf die Grundwasserneubildungsrate

unter +2°C (2060) aus ?(Beispiel Altmark)


Grundwasserneubildungsraten unter landwirtschaftlichen Flächen 2025-2030(Zwischenergebnisse)

• Differenz zu 1960-1990 unterkontinuierlicher Fruchtfolgengenerierung

→ überwiegend negativer Trend

• Differenz zu 1960-1990• Modellannahme: Silagemais ab 2013

flächendeckend→ stärker negativer Trend als unter

Fruchtfolgen



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Prozentuale Veränderung von landwirtschaftlichen Erträgen von 2025-2030gegenüber der Referenzperiode 1960-1990unter +2°C (2060) (Zwischenergebnisse)

Stendal Salzwedel

Winterroggen(Fruchtfolgen)

-4% -5.7%

Silagemais(Fruchtfolge)

-7% -15%

Winterweizen (Fruchtfolge)

+4.7 -2.8

Jährliche Niederschlagssumme

-1.6% -3.3%


• Das öko-hydrologische Modell SWIM ist geeigneto Ökosystemleistungen abzubilden

o Klima- mit Managementszenarien zu integrieren

• Die Zwischenergebnisse für die Altmark zeigten, dasso die Grundwasserneubildungsraten unter dem +2°C2060-Szenario

(2025/30) gegenüber 1960-1990 abnehmen ,

o die Grundwasserneubildungsraten unter verstärktem Biomasseanbau gegenüber Fruchtfolgen unter dem +2°C2060-Szenario (2025/30) nochmals geringer sind,

o die Kombination aus +2°C2060-Szenario und Managementszenario negative Folgen für die Grundwasserneubildung zeigt,

o negative Trends bei landwirtschaftliche Erträgen unter dem +2°C2060-Szenario (2025/30) gegenüber 1960-1990 zu erwarten sind.

• Fortführung der Modellevaluierung!• Weitere Maßnahmenanalysen folgen

Vorl äufige Schlussfolgerungen und Ausblick



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Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!



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