Kohlenstoff-Senken und -Quellen landwirtschaftlicher Flächen und … · 2004-07-11 · Jürg...

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


Inhalt

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


Landnutzung in Europa


Jährlicher Boden C-Fluss

(t C ha-1 a-1)

Senk

e →

←Q

uelle


Verteilung der Boden C-Flüsse (Simulation)

Vlee

shou

wer

s&

Verh

agen

, 200

2

Ackerland Grasland

Quelle Senke

(t C ha-1 a-1)


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


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


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


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).


Steuerungsgrössen für Boden C

Boden C

AbiotischTemperaturFeuchtigkeitDurchlüftung

BewirtschaftungBodenbearbeitungDüngungErnterückständeOrganische Zugaben

BodeneigenschaftenTexturTonmineralogieBodentiefepH


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


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


0

2

4

6

8

10

12

Cor

g(%

)


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)



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


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



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


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



Änderung der Landnutzung

Zeit

Gleichgewicht 1 Messbar?

Gleichgewicht 2

Bod

en C

∆C<0 ∆C≈ 0 ∆C>0

Beginn derKultivierung

Nutzungs-änderung


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


FAL „Kyoto-Wiese“ 2002-?

Extensiv Intensiv


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.


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


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.


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


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


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


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

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Pote

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y

0

1

2

3

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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)


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



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.


C-Senkenpotenzial vs. Emission von CH4 + N2O


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


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



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)


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


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)


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


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


Danke!

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