2030: Verdopplung des Energiebedarf (Internationale Energieagentur) 2 Mensch-Umwelt-Prozesse. 3 Mensch-Umwelt-Prozesse. 4 Mensch-Umwelt-Prozesse

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1 1 Angewandte Landschaftsentwicklung Das Archäonik-Konzept Markus Dotterweich Institut für Umweltwissenschaften, Universität Koblenz-Landau, Campus Landau 2 Mensch-Umwelt-Prozesse - globale Herausforderungen globale Herausforderungen Klimaveränderung Wirtschafts- und Finanzkrisen Ressourcenerschöpfung Umweltkonflikte Biodiversitätsverlust 2030: 9 Mrd. Einwohner (FAO) Bodendegradation Trinkwasserknappheit 2030: Verdopplung des Energiebedarf (Internationale Energieagentur) 3 Mensch-Umwelt-Prozesse - Landnutzungsstrategien Neue Konzepte sind erforderlich! nachhaltig (ressourcenschonend) hohe Effizienz klimaschonend Wie kann dies erreicht werden? Integration der Wasser-, Stoff- und Energieströme dezentrale (regionale) Kreislaufsysteme neuartige technische Systeme angepasste sozioökonomische Strategien 4 Mensch-Umwelt-Prozesse - Landnutzungsstrategien aus Ripl, SAT, 2004 Sektorale Systeme 5 Mensch-Umwelt-Prozesse - Landnutzungsstrategien aus Ripl, SAT, 2004 (verändert) Integrative Systeme

2 6 Mensch-Umwelt-Prozesse - Lernen aus der Vergangenheit Mensch Umwelt Aus der Vergangenheit lernen, um die Zukunft zu gestalten Probleme - oft nur sektorale oder disziplinäre Herangehensweise (Paläoökologie, Archäologie, Quartärwissenschaften, Sozial-, Wirtschafts- und Technikgeschichte etc.) - transdisziplinäre Adaption - kein Gesamtkonzept Herausforderung: Die Lösung heutiger und zukünftiger Probleme benötigt integrative Handlungsweisen. Bei der Erforschung historischer Prozesse wird derzeit noch sehr disziplinär betrieben. Dies hat Folgen 7 Archäonik - Definition Archäonik Die Archäonik erforscht frühere Technologien und Strategien des Umweltmanagements, um diese für heutige Anwendungen nutzbar zu machen Dotterweich, M., Schreg, R., Pieplow, H., Böttcher, J.: Archäonik Ein transdisziplinärer Ansatz einer anwendungsorientierten Vergangenheitsforschung. Gaia - Ökologische Perspektiven für Wissenschaft und Gesellschaft (eingereicht). In der Bionik werden für bestimmte technische oder funktionale Problemstellungen Analogien in der Natur gesucht. Diese werden hierbei als optimierte und langfristig erfolgreiche Systeme verstanden, die sich durch evolutorische Prozesse im Laufe der Naturgeschichte bestmöglichst an die abverlangten Erfordernisse, unter maximaler Ressourcenschonung, angepasst haben. Diese Analogien werden funktionalsystemisch beschrieben, abstrahiert und mit dem Ziel nachgebildet, eine hohe Effizienz bei minimaler Ressourcennutzung zu erreichen. Im Unterschied zur Bionik haben wir es bei der Archäonik jedoch mit kulturellen Systemen zu tun, bei denen nicht vorausgesetzt werden darf, dass sie optimiert und nachhaltig funktionierten. Hier ist stets mit dem Menschen als Akteur zu rechnen, dessen freie Willensentscheidung an Traditionen und Werte gebunden ist, die sich häufig als Hindernis für eine rasche und erfolgreiche Adaption erweisen. Ein wesentlicher Schwerpunkt dieser Archäonik liegt daher in der Erforschung von erfolgreichen Landnutzungsstrategien früherer Kulturen im Hinblick auf deren Integration in vergangene Ökosysteme und ihre Langzeitfolgen. 8 Archäonik - Forschungsfragen 1. Welche sind die treibenden Interaktionsmechanismen und prozesse, die zur Emergenz, Nachhaltigkeit oder zum Zusammenbruch eines früheren Systems führen? 2. Wie können die derzeitigen Erklärungsansätze und modelle zur Beschreibung der komplexen Systeme genutzt, weiterentwickelt, geprüft und in ein Gesamtkonzept integriert werden? 3. Wie können wir das geschichtliche Wissen für das Verständnis heutiger Systeme und der Entwicklung unserer Zukunft einsetzen? nach Costanza et al. 2007, verändert in Dotterweich: Systemtheoretische Ansätze zur interdisziplinären Erforschung komplexer Zusammenhänge in der Umweltgeschichte (in Druck) Warum und wie lange waren bestimmte Systeme erfolgreich? Was waren die Ursachen eines rapiden Wandels oder Zusammenbruchs und wie liefen diese ab? Welche Anpassungsstrategien wurden bei Krisensituationen verfolgt und wie erfolgreich waren diese? Welche Archive und Methoden sind geeignet

3 um diese Erkenntnisse zu erlangen? Wie lassen sich diese Erkenntnisse für heutige und zukünftige Systeme nutzbar machen? 9 Archäonik - Theorie, Analyse und Rekonstruktion Design Systemtheorie Systemanalyse S.rekonstuktion Hypothesen Kriterienentwicklung Modellentwicklung - Mensch-Umwelt-Systeme - Resilienztheorie -Weitere systemtheoretische Ansätze Methodik Abstrahierung und Modellierung - Prozessdynamik im Phasenraum (Trajektoren und Attraktoren) - Nichtlineare dynamische Modelle(Zellulare Automaten, Agentenmodelle, Neuronale Netzwerke etc. Datenerschließung, Analyse & Bewertung Experimente 10 Analyse von komplexen Systemen - Gekopplete Mensch-Umwelt-Systeme Landnutzung und Bodenerosion Sensitivität? Vulnerabilität? Schwellenwerte? Resilienz? Historiziät? Zeitverzögerung? Hystereseeffekte? Dotterweich, M. (2008): Geomorphology 11 Analyse und Modellierung komplexer Systeme - Boden- und Reliefentwicklung in ME Dotterweich, M. (2008): Geomorphology 12 Dotterweich, M. (2008) The history of soil erosion and fluvial deposits in small catchments of Central Europe. Geomorphology There is not much data partculary for the pre-history period

4 13 Die erste Hälfte des 14. Jahrhunderts - eine globale Herausforderung? Mitteleuropa: feuchte Sommer, extreme Hochwässer Peru: Miraflores/Nyamlap/Casma flood (ENSO Anomalie) Grönland Klimaabkühlung und Siedlungsaufgabe (Norse) Westpazifik Dürren (Meersespiegel- und Grundwasserabsenkung, Dünenbildung Ostasien plötzliche Monsumverschiebung (Zunahme an Stürmen und Fluten) Westküste USA, Afrika, Australien, Mexiko, Peru: Rein, B., Lückge, A. & Sirocko, F. (2004): A major Holocene ENSO anomaly during the Medieval period. Geophysical research letters 31. East Asia: Nunn, P. D. (2007): The A.D event in the Pacific Basin. Geographical Review 97: Western Pacific islands: Kumar, R., Nunn, P. D., Field, J. S. & de Biran, A. (2006): Human responses to climate change around AD 1300: A case study of the Sigatoka Valley, Viti Levu Island, Fiji. Quaternary International 151: Greenland: Barlow, L. K., Sadler, J. P., Ogilvie, A. E. J., Buckland, P. C., Amorosi, T., Ingimundarson, J. H., Skidmore, P., Dugmore, A. J. & McGovern, T. H. (1997): Interdisciplinary investigations of the end of the Norse Western Settlement in Greenland. Holocene 7: Theorie und Analyse komplexer Systeme - Kausalitäten und niederfrequente Prozesse Bork, H.-R., et al. (1998), Dotterweich, M. (2008) - modified humid regions r k α Ω 15 Theorie und Analyse komplexer Systeme - Panarchie Gunderson, L.H. and Holling, C.S. (2002): Panarchy. Island Press (log ) Zeit [Jahre] groß und langsam klein und schnell Religionen und Mythen Nationen Große Waldökosysteme Ozeane, Kontinentalplatten Gesetze Regionen, Landschaften Städte Bergbauregion Regeln Familien, Gemeinde Baum, Ast, Blatt, Berg (log) Raum [m] Hierarchische Systeme enthalten multiple Elemente mit unterschiedlichen evolvierenden Raum-Zeit-Prozessen. Diese lassen sich nur sehr schwer in eine Beschreibung oder Modellierung integrieren. Hierzu wurde der Begriff der Panarchie eingeführt, der dieses Dilemma lösen soll. Panachrchie beschreibt eine Struktur in der Systeme (natürliche und anthropogene) und deren Prozesse bzw. Entscheidungen in adapitven Zyklen (Wachstum, Akkumulation, Zusammenbruch und Neustrukturierung) über

5 Zeit und Raum kombiniert (oder vernetzt) werden. Diese Vernetzung kann langfristig zur einer Systemstabilisierung führen, weil sie über ein Gedächtnis vergangener Prozesse verfügt. Sie kann aber auch zu einer Destabilierung führen, wenn die Abhängigkeiten zu stark werden. Beispiel: Familien können z.b. aufgrund einer Scheidung auseinanderbrechen. Aber die Personen werden trozdem wieder bevorzugt ein Familiensystem aufbauen, da sich am übergeordenten kulturellen System orientiert (Remember) Umgekehrt kann jedoch auch das nukleare System Veränderungen auf die übergeordneten System ausüben, wenn bestimmte Prozesse synchronisiert ablaufen (z.b. Revolution, Seuchenzüge etc.) Oder wenn die Blätter eines Baumes gleichzeitig von einer Krankheit befallen werden, stirbt evtl. der gesamte Baum. 16 Theorie und Analyse komplexer Systeme - 3D adaptiver Zyklus Gunderson, L.H. and Holling, C.S. (2002): Panarchy. Island Press Neuer Systemzustand In der Alpha Phase werden die frei verfügbaren Ressourcen in einem neuen System reorganisiert. Das neue System kann wieder einen ähnlichen Weg beschreiten aber auch völlig neue Eigenschaften aufweisen Jedoch nie den Gleichen! > Neue Attraktoren (Epigenetische Landschaft) In den historischen Humanwissenschaften können wir viele Beispiele für solche System finden. Einige Gesellschaftssysteme konnten sich sehr lange in der K-Phase halten, während andere Systeme schon bereits in der r-phase zusammenbrachen. Allerdings muss der Zusammenbruch nicht zwangsweise in der totalen Auflösung enden. Eine weitere wichtige Rolle in der Systementwicklung spielen hierarchische Abhängigkeiten.

6 17 Verständnis von Mensch-Umweltsystemen - Trajektorenanlayse Wolf Schaf Prädatation Korrelationskoeffizient: Darstellung im Phasenraum Schafe Wölfe 18 Verständnis von Mensch-Umweltsystemen - Trajektorenanlayse Wolf Schaf Prädation im Phasenraum Darstellung im Phasenraum Korrelationkoeffizient Schafe Schritte 0 80: 0.79 Schritte : 0.99 time Schritte : 0.76 Wölfe 19 Verständnis von Mensch-Umweltsystemen - Trajektorien in der Landschaftsentwicklung Darstellung im Phasenraum after Dearing (2008), modified 20 Verständnis von Mensch-Umweltsystemen - Trajektorien in der Landschaftsentwicklung after Dearing (2008), modified 21 Verständnis von Mensch-Umweltsystemen - Trajektorien in der Landschaftsentwicklung after Dearing (2008), modified

7 22 Verständnis von Mensch-Umweltsystemen - Trajektorien in der Landschaftsentwicklung after Dearing (2008), modified 23 Theorie und Analyse komplexer Systeme - Trajektorien in der Landschaftsentwicklung keine Stabilisierung Stabilisierung after Dearing (2008), modified 24 Theorie und Analyse komplexer Systeme - Potenziale und Anwendungen Wichtige Ergänzung Vollständige (multiple) Zyklen Niederfrequente Prozesse und Ereignisse Seltene (extreme) Ereignisse Raumzeitliche verschobene Rückkopplungen (Muster) Emergente Eigenschaften und Prozesse Analyse der unmittelbaren und der mittelbaren (eigentlichen) Ursachen von (plötzlichen) Systemänderungen Werkzeug zur Theoriebildung und Projektdesign heuristische Methodik für die Analyse komplexer Prozesse über lange Zeitskalen Werkzeug zur interdisziplinären Kommunikation zum Monitoring, das meist nur wenige Jahre oder (maximal) Dekaden erfasst 25 Archäonik - Theorie, Analyse und Rekonstruktion Design Systemtheorie Systemanalyse S.rekonstuktion Hypothesen Kriterienentwicklung Modellentwicklung - Mensch-Umwelt-Systeme Fallstudien in - Resilienztheroie -Weitere systemtheoretische - Landschafts- und Landnutzungsentwicklung - Performance - Energie- und Stoffflüsse Ansätze - Ressourcennutzung - Abfallmanagement Methodik Abstrahierung und Modellierung - Prozessdynamik im Phasenraum (Trajektoren und Attraktoren) - Nichtlineare dynamische Modelle(Zellulare Automaten, Agentenmodelle, Neuronale Netzwerke etc. Datenerschließung, Analyse & Bewertung - Recherche und Prüfung vorhandener Daten und Studien (Passung) - Interdisziplinäre Studien (Geschichte, Archäologie, Landschaftsentwicklung etc.) Experimente

8 26 Landschaftsentwicklung - Geopedologische Analogien Gullies E3 E3 Owl Tagebau Creek, Jänschwalde SE USA ( ) Indianische Landnutzung Dotterweich Dünenprofils & mit May römerzeitlicher (2008) Kulturschicht und fossilem Podsol 27 Landschaftsentwicklung - Geopedologische Analogien Tagebau Jänschwalde ( ) Dünenprofils mit römerzeitlicher Kulturschicht, mittelalterlichem Wölbacker und fossilem Podsol 28 Landschaftsentwicklung - Abbau von Kohlenstoff im Boden Dotterweich (1998) Wolfsschlucht Aufschluss WV Märkische Schweiz Kuhn, Dotterweich et al. (2009), ESLP 29 Archäonik - Theorie, Analyse und Rekonstruktion Design Systemtheorie Systemanalyse S.rekonstuktion Hypothesen Kriterienentwicklung Modellentwicklung - Mensch-Umwelt-Systeme - Resilienztheroie -Weitere systemtheoretische Ansätze Fallstudien in - Landschafts- und Landnutzungsentwicklung - Performance - Energie- und Stoffflüsse - Ressourcennutzung - Abfallmanagement Analog- und Virtualmodelle - Landnutzungssysteme - Wirtschaftssysteme - Verwertungssysteme - Kreislaufsysteme - Ressourcennutzung - Gesellschaftssysteme - Forchtenberg (G) - Lejre (DK) - Butser-farm (GB) Methodik Abstrahierung und Modellierung - Prozessdynamik im Phasenraum (Trajektoren und Attraktoren) - Nichtlineare dynamische Modelle(Zellulare Automaten, Agentenmodelle, Neuronale Netzwerke etc. Datenerschließung, Analyse & Bewertung - Recherche und Prüfung vorhandener Daten und Studien (Passung) - Interdisziplinäre Studien (Geschichte, Archäologie, Landschaftsentwicklung etc.) Experimente - Ressourcenbedarf - Energiebedarf - Flächenleistung - Fruchtfolgen - Bodenschutz / Bodenverbesserung - Gesellschaftssysteme 30 Archäonik - Adaption Systemtheorie Systemanalyse S.rekonstuktion Adaption Meth. Des. Hypothesen Kriterienentwicklung Modellentwicklung Abstrahierung und Modellierung Datenerschließung, Analyse & Bewertung Experimente - Kreislaufsysteme - Zero-Emission-Konzepte - Systemisches Nachhaltigkeitsmanagement - Landnutzungssysteme mit integr. Abfalls- und Sanitärsystemen - Flächensanierung und Bodenregeneration - Urban Farming - (Bewussteins)Bildung

9 31 Archäonik - Adaption: - Beispiel Terra Preta Technologie Alter bis zu 3000 Jahren Areale bis zu 350 ha, ca. 10 % Amazoniens bedeckt Hohe, anhaltende Fruchtbarkeit Hohes Wasserspeichervermögen Hohe Pufferkapazität Hohe Persistenz Inputmaterialien: organische Siedlungsabfälle und Holzkohle Biomasseabbau stark reduziert stattdessen Umbau in stabile Kohlenstoffstruktur! Schwarze Böden im Amazonasbecken 32 Archäonik - Adaption: : - Beispiel Terra Preta Technologie 33 Archäonik - Adaption: - Beispiel Terra Preta Technologie Dotterweich 2009, unveröffentlicht 34 Rückführung von Stoffströmen Verbesserung der Böden Wasserretention Steigerung des Humusgehaltes (bis zu 9 %) Speicherung von CO 2 (bis 250 t pro ha) Flächensanierung und Bodenregeneration Positive Effekte für das Ökosystem Nutzung regionaler Stoffströme Life Cycle Assessment- und Zero-Emission- Strategien Regionale Wertschöpfung Folgt den Empfehlungen des WBGU 2009

10 35 Archäonik - Adaption: - Beispiel Terra Preta Technologie Adaption auf heutige Landnutzungssysteme Rückführung von Stoffströmen Verbesserung der Böden Wasserretention Steigerung des Humusgehaltes (bis zu 9 %) Speicherung von CO 2 (bis 250 t pro ha) Flächensanierung und Bodenregeneration Positive Effekte für das Ökosystem Nutzung regionaler Stoffströme Life Cycle Assessment- und Zero-Emission-Strategien Regionale Wertschöpfung 36 Archäonik - Adaption: - Weitere Beispiele Agroforstsysteme Schwimmende Farmen und Gärten (Atzteken, Myamar, Bangladesh) Wölbäcker und Hochbeetkulturen (Mitteleuropa, Titicaca-See) Sanitärsysteme (Römische Kaiserzeit) Historische Landnutzuungs- und Bewässerungssysteme (z. B. Chagga) Wichtig! Analyse und Einbindung verknüpfter soziokultureller Systeme 37 Beispiel: - Agroforstsysteme Kombinierung von Land- und Forstwirtschaft Reduzierung des Dünge- und Pestizideinsatzes Verbesserung der Bodenfunktionen Verbesserung des Wasserrückhaltes 38 Beispiel: - Schwimmende Gärten Lange Tradition in wassereichen Gebieten Energiepflanzenanbau in nährstoffreichen Gewässern Potenziale noch nicht untersucht Tomatenanbau auf dem Inle-See in Myamar 39 Archäonik - Zusammenfassung Anwendungsbasierte Vergangenheitsforschung Integratives inter- und transdisziplinäres Konzept Verknüpfung von Theorie, Analyse, Rekonstruktion und Adaption Nachhaltiges Umweltmanagement Große Forschungspotenziale

11 40 Einführung - 3D Adaptive Cycle Dotterweich, M. (2008) The history of soil erosion and fluvial deposits in small catchments of Central Europe. Geomorphology