Kohlenstoff-Senken und -Quellen landwirtschaftlicher Flächen und

Chance und Risiken biologischer Kohlenstoffsenken –
Was und wieviel wissen wir?
ETH Zürich, 29. Juni 2004
Kohlenstoff-Senken und -Quellen
landwirtschaftlicher Flächen und
Böden
Jürg Fuhrer und Jens Leifeld
Eidg. Forschungsanstalt für Agrarökologie und Landbau
Lufthygiene/Klima
8046 Zürich
Jürg Fuhrer, 29.6.2004
Inhalt
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Kohlenstoff in Agrarökosystemen
C-Sequestrierung
Das Potenzial von Massnahmen
Treibhausgasbilanz
Ausblick
Jürg Fuhrer, 29.6.2004
Landnutzung in Europa
Jürg Fuhrer, 29.6.2004
(t C ha-1 a-1)
← Quelle
Senke →
Jährlicher Boden C-Fluss
Jürg Fuhrer, 29.6.2004
Verteilung der Boden C-Flüsse
(Simulation)
Grasland
Vleeshouwers & Verhagen, 2002
Ackerland
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 CFlusses in die Atmosphäre, und zur netto CBindung durch Veränderung der Bewirtschaftung
Jürg Fuhrer, 29.6.2004
Kohlenstoff in der Landwirtschaft
Acker-Kunstwieserotation:
-Kunstwieserotation:
Pflanzenbiomasse
soil
Boden
90 t OC ha-1
(0 -100cm)
Oberirdische Biomasse
0.9%
Unterirdische Biomasse
1.6%
Boden- C
97.5%
→ Für landwirtschaftliche Aktivitäten ist der Boden-C
entscheidend
Jürg Fuhrer, 29.6.2004
Netto
Photosynthese
Labile Fraktion
Auswaschung
Jürg Fuhrer, 29.6.2004
Ernterückstände
Organische Dünger
Stabile Fraktion
Exudate
Organischer BodenKohlenstoff
Ernte
Wurzeln
CO2 Emission
C-Flüsse in Agrarökosystemen
Boden C-Pools
CO2
Unprotected
soil C
Aggregate turnover
Litter quality
Adsorption/desorption
CO2
CO2
Microaggregate
associated soil C
Unprotected
soil C
Silt- and clayassociated soil C
Physically
protected
soil C
Condensation/complexation
CO2
Non-hydrolyzable
soil C
Biochemically
protected
soil C
Konzeptionelles Model der organischen Bodensubstanz
(SOM) Dynamik mit messbaren Pools (Six et al., 2002).
Jürg Fuhrer, 29.6.2004
Steuerungsgrössen für Boden C
Bewirtschaftung
Bodenbearbeitung
Düngung
Ernterückstände
Organische Zugaben
Abiotisch
Temperatur
Feuchtigkeit
Durchlüftung
Boden C
Bodeneigenschaften
Textur
Tonmineralogie
Bodentiefe
pH
Jürg Fuhrer, 29.6.2004
C-Verteilung im Boden
Corg (%)
Bodentiefe (cm)
0
0
20
2
4
6
8
10
Dauergrünland
(einschl. Alpweiden)
Ackerland
Kunstwiesen
40
60
80
100
Jürg Fuhrer, 29.6.2004
Leifeld et al., 2003
Einfluss von Landnutzung und Tongehalt
Landnutzung:
Wiesland höhere Lagen > Wiesland tiefere Lagen > Kunstwiese > Acker
Tongehalt: Positiver Einfluss; besonders wichtig bei Mittellandböden
14
12
a*
b
c
d
a
b
c
12
Corg (%)
10
10
8
6
4
8
6
4
22
00
Ackerböden
Kunstwiesen
Dauergrünland (< 1000 m üM)
Dauergrünland (> 1000 m üM)
Jürg Fuhrer, 29.6.2004
< 20% Ton
20 to 40% Ton
> 40% Ton
Leifeld et al., 2003
Einfluss der Höhenlage
C-Vorrat 0-20 cm (t ha-1)
60
50
10
40
30
5
20
Günstiges Wiesland
10
0
Ungünstiges Wiesland
0
500
1000
1500
Höhe
2000
2500
C-Gehalt 0-20 cm (%)
15
70
0
3000
Höhenlage: Einfluss der Temperatur
Zusätzliche Steuerungsgrössen: Profiltiefe und Skelettgehalt
(Alpen und Jura)
Leifeld et al., 2003
Jürg Fuhrer, 29.6.2004
Kohlenstoffgehalte
1800
Corg (t ha-1)
1600
1400
1200
1000
Organische Böden
Acker
Kunstwiese
günstiges Wiesland
ungünstiges Wiesland und
alpwirtschaftliche Nutzflächen
intakte Moore
kultivierte Moore
800
200
Mineralische Böden
100
0
Boden- und Landnutzungstyp
1. Mineralböden: 0-100 cm; Moore: 0-200 cm
Leifeld et al., 2003
Jürg Fuhrer, 29.6.2004
C-Abbau in organischen Böden
Organischer Kohlenstoff (Mio t)
Bewirtschaftete Fläche seit 1885: 17‘000 ha
40
35
Mittlere Abbaurate 9.52 t C ha-1 a-1
30
Obergrenze
11.68 t C ha-1 a-1
25
Untergrenze
7.34 t C ha-1 a-1
20
15
10
5
0
1850 1900 1950 2000 2050 2100 2150 2200 2250 2300
Jahr
⇒ C-Vorrat in organischen Böden: 712 – 1042 t ha-1
Leifeld et al., 2003
Jürg Fuhrer, 29.6.2004
Abschätzung des gesamten C-Vorrats
Boden-Datenbank
Bodeneignungskarte
Steuerungsgrössen:
Stat. Beziehungen
C-Vorrat in
Mineralböden
Geländemodell
Landnutzung Gemeinde
Steuerungsgrössen:
Raumbezug
Arealstatistik
Moorinventare
Kultivierte Moore
(Schätzung)
Jürg Fuhrer, 29.6.2004
C-Vorrat in
organischen
Böden
Kohlenstoffvorräte
Kohlenstoffvorrat (Mio Tonnen)
60
Kohlenstoffvorrat (Mio Tonnen)
Intakte Moore
Organische Böden
Dauergrünland
Kunstwiese
Ackerland
50
40
30
20
10
Mineralische Böden
20
Organische Böden
(kultiviert)
Total 170 Mt C
intact peatlands
organic soils (cultivated)
permanent grassland (mineral soils
temporary grassland (mineral soils)
arable (mineral soils)
15
davon 28% in intakten und
kultivierten Mooren (37‘000 ha)
10
5
0
0
500
1000
1500
Höhenstufe (m)
Jürg Fuhrer, 29.6.2004
2000
2500
Leifeld et al., 2003
Änderung der Landnutzung
Zeit
Boden C
Gleichgewicht 2
Gleichgewicht 1
∆C<0
Beginn der
Kultivierung
Jürg Fuhrer, 29.6.2004
∆C≈ 0
Messbar?
∆C>0
Nutzungsänderung
Quantifizierung der Senken
Problem: 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
Intermediärer Corg
Passiver Corg
Jürg Fuhrer, 29.6.2004
Validierung
Poolgrössen
FAL „Kyoto-Wiese“ 2002-?
Extensiv
Jürg Fuhrer, 29.6.2004
Intensiv
Bilanz des netto CO2 Fluss
8
Nacht
Tag
10%
6
10%
4
2
0
INT EXT
INT EXT
INT EXT
-2
32%
-4
29%
-6
10%
-8
-10
-12
Jürg Fuhrer, 29.6.2004
10%
Ammann et al, unpubl.
CO2 Austausch [t C ha-1 a-1]
Netto Bilanz
(NT-CT) (g C/m2)
Pfluglose Bewirtschaftung (no-till)
1500
heavy-textured soils
all other textures
US Experimente
1000
(20-25 cm)
500
Paustian, 2003
0
-500
0
5
10
15
20
25
Years under no-till
Corg Änderung (% a-1)
Corg Änderung (% a-1)
3
2
1
0
-1
0
5
10
15
20
25
Dauer (Jahre)
Jürg Fuhrer, 29.6.2004
30
35
40
CH Experimente
3
Leifeld et al., 2003
2
1
0
-1
0
10
20
30
40
50
Tongehalt (%)
60
Bewirtschaftung der Ackerkulturen
Lexington, KY
90
plow till
no till
70
60
50
40
Paustian, 2003
Mg soil C per hectare
80
30
20
10
0
0
84
168
336
N fertilizer rate (kg/hectare/year)
Carbon stocks in no-till vs plow treatments under continuous
maize and different fertilizer levels after 25 years.
Jürg Fuhrer, 29.6.2004
Zunahme in Corg (0-30 cm) (t ha-1)
Umwandlung von Acker- in Grünland
30
25
20
semi-arid
humid
15
10
5
0
0
10
20
30
Jahre
Paustian, 2003
Jürg Fuhrer, 29.6.2004
C-Sequestrierung: Raten
C-Akkumulation (t C ha-1 a-1)
Hofdünger (10 t ha-1)
0.2-0.5
Klärschlamm
0.25
Ernterückstände/Stroh
0.2
Acker- zu Grünland
0.3-0.5
No till
0.2-0.4
Acker- in Grünland
0.3-1.0
Extensivierung
0.5
Leifeld et al., 2003, Dendoncker et al., 2004
Jürg Fuhrer, 29.6.2004
6
70
60
5
50
4
40
3
30
2
20
1
10
0
Manure
Sludge
Straw
No-till Extensification
Bioenergy
Woodland
Land Management Change
0
% Offset of 1990 European CO2-C emissions
-1
Maximum C Mitigation
- Potential (Tg C y )
C-Sequestrierung: EU-15 Potenziale
Smith et al. (2000)
Jürg Fuhrer, 29.6.2004
70
= CO2-C alone
= CO only
= CO2-C plus N2O and CH4
= with trace gases
60
2
50
6
5
4
40
3
30
20
2
10
1
0
Manure Sludge
Straw
Bioenergy0
No-till Extensification
Woodland
Land Management Change
Smith et al. (2001)
Jürg Fuhrer, 29.6.2004
% Offset of 1990 European CO2 Emissions
Maximum C Mitigation Potential (Tg C y-1)
Gesamtbilanz der Treibhausgase
Senkenpotential in der Schweiz
A: Stillegung von Ackerflächen (z.B. Umwandlung der Rotationsbrachen in Dauerbrachen)
B: Umwandlung von Acker- zu Grünland auf organischen Böden
C: Komplette Umstellung auf reduzierte Bodenbearbeitung im Ackerbau
(hauptsächlich Direktsaat)
D: Umwandlung der gesamten Ackerfläche in Dauergrünland
E: Renaturierung aller kultivierten Moore
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 CO
Einsparung, was etwa 27% der
Schweizer Kyoto-Verpflichtung entspricht.
2
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 CO , was etwa 40%
2
der EU Kyoto-Verpflichtung entspricht.
Jürg Fuhrer, 29.6.2004
C-Senkenpotenzial vs. Emission von
CH4 + N2O
CO2 Äquivalente (Gg a-1)
6000
5000
4000
Direktsaat 2000
Potenzielle Senke
(Renaturierung org. Böden
plus Umwandlung Ackerland)
CH4 plus N2O Emissionen
Landwirtschaft 2000
3000
2000
1000
= 21% von CH4+N2O
0
Leifeld et al., 2003
Jürg Fuhrer, 29.6.2004
Vergleich von CO2 Äquivalent-Flüssen
CO2 Äquivalente (Mt a-1)
5
4
3
2
1
N2OCH4Emission Emission
0
-1
-2
Heutige
Verluste
org. Böden
No till
2000
SenkenPotenzial
Landwirtschaft
WaldSenke
Heutige
Verluste durch
Urbanisierung
-3
Leifeld et al., 2003
Jürg Fuhrer, 29.6.2004
Begrenzung des Senkenpotenzials
Maximum
Minimum
Potenzial der C-Sequestrierung
Biologisches
Potenzial
Ökonomisch begrenztes
Potenzial
Biologisch/physikalisch
begrenztes Potenzial
(Bodeneignung)
Jürg Fuhrer, 29.6.2004
Sozial/politisch begrenztes
Potenzial
= realistisch erreichbares
Potenzial (~10% des
biologischen Potenzials)
C Sequestrierungspotenzial 2010 (Tg a-1)
Schätzungen Sequestrierungspotenzial
(EU-15 Ackerland)
200
Untere Grenze
Obere Grenze
150
1 = Vleeshouwers & Verhagen (2002)
2 = Smith et al. (1997, 2000)
3 = Freibauer et al. (2004)
100
4 = Smith et al. (2004)
50
0
-50
Jürg Fuhrer, 29.6.2004
1
2
3
4
Künftige Entwicklung
SRES climate only
100
90
80
SRES-B2 plus convert
grassland to arable in 2000
70
199
188
177
166
155
144
133
122
111
100
89
78
67
56
45
34
23
60
12
Boden C Vorrat (t C ha-1)
Boden C Vorrat bis 30 cm (t C ha-1) – ohne organische Böden
Jahre nach 1900
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 Moorkultivierung, Urbanisierung, Landnutzungsänderung: Kompensation durch landw. Senken
nicht möglich!
• Landwirtschaftlicher Beitrag durch Anbau von
Energiepflanzen bedeutungsvoller als C-Senken
Jürg Fuhrer, 29.6.2004
Danke!
Jürg Fuhrer, 29.6.2004