Chancen der CO 2 -Einlagerung in den Boden

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1 Technische Universität München Chancen der CO 2 -Einlagerung in den Boden Prof. Dr. Kurt-Jürgen Hülsbergen, Lehrstuhl für Ökologischen Landbau

2 Entwicklung der CO 2 -Konzentration in der Atmosphäre IPCC (2007): Climate Change: The Scientific Basis. Veränderung + 35 % Anteil am anthropogenen Treibhauseffekt 60 % Anteil der Landwirtschaft + Landnutzung 10 %

3 Der globale Kohlenstoffkreislauf (nach JANZEN 2004) C-Vorräte in Pg (Mrd. t) C-Flüsse in Pg a -1

4 Der globale Kohlenstoffkreislauf (nach JANZEN 2004) C-Emissionen Welt: 6,3 Mrd. t = 1 t C pro Kopf CO 2 -Emission pro Kopf Welt: 3,7 t Deutschland: 10,5 t USA: 19,7 t Indien: 1,1 t

5 Carbon losses from all soils across England and Wales Bellamy et. al.: NATURE, Vol 437, September 2005,

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7 Humus-, Kohlenstoff- und Stickstoffgehalte von Böden Bei 58 % C im Humus: 1 % C entspricht 1,72 % Humus, 1 % C entspricht 45 t C ha -1 = 78 t Humus ha -1 Bei einem C : N - Verhältnis von 10 : 1 = kg N ha -1 Grenzwerte der OBS nach Cross Compliance: Ton < 13 %:Humusgehalt > 1 % Ton > 13 %:Humusgehalt > 1,5 %

8 Entwicklung von Humusgehalten (nach Johnson et al. 1995) LP/D 1 < 1 1 > 1 1 Steady-state Loss Steady-state Accumulation Steady-state Soil Organic Matter Disturbance New Manag gement Time LP = Litter production D = Decomposition

9 Simulated (CENTURY model) total SOC for the central U.S. scenario for three levels of yield increases (DONIGIAN et al. 1994)

10 Simulated (CENTURY model) total SOC for the central U.S. scenario for three levels of yield increases (DONIGIAN et al. 1994)

11 Changes of soil organic C content in the Hoosfield Continuous barley experiment (JOHNSTON 1986)

12 Entwicklung der N org -Gehalte nach Grünlandumbruch Dauerversuch Lauterbach, Erzgebirge (Hülsbergen et al. 1996) N org (mg 100 g -1 Boden) Jahre GV ha -1 Humusabbau (Variante mit 0 GV ha -1 ): kg N ha -1 = 110 kg N ha -1 a kg C ha -1 = kg C ha -1 a -1 = ca kg CO 2 ha -1 a -1

13 Grünlandumbruch und Silomaisanbau in Deutschland (dlz agrarmagazin 2008, Roßberg & Hartmann 2007) Die Grünlandfläche nahm in Deutschland von 2003 bis 2007 um ha (3,1 %) ab, in Schleswig-Holstein sogar um 5 %. In 90 % aller Biogasanlagen wird Mais als Substrat eingesetzt. Der Silomaisanbau stieg von von 1,12 (2002) auf 1,35 Mio ha (2006). Im Jahr 2006 wurden ha Mais für die Biogasproduktion angebaut, das sind 12 % der Maisanbaufläche.

14 Einfluss von Klee-Luzerne-Gras auf die C org -Gehalte Dauerfeldversuch auf sandigem Lehm (Hülsbergen 2003) 1,00 0,95 C-Ge ehalt (%) 0,90 0,85 0,80 0, Versuchsjahre Fruchtfolge mit Klee-Luzerne-Gras Fruchtfolge ohne Klee-Luzerne-Gras

15 Wurzelbild der Luzerne

16 Einfluss des Luzerneanbaus auf die C org -Gehalte und -Vorräte Dauerfeldversuch auf sandigem Lehm, 6. Fruchtfolge (30 Jahre) Bodentiefe cm C t -Gehalt mg/100g Boden C t - Vorrat CO 2 - Bindung FF III FF V Differenz kg/a kg/a TRD: Schicht 0-20 cm: 1,5 g cm -3, Schicht cm: 1,6 g cm -3

17 Profiles of organic C in a soil after 10 years of different tillage (DOUGLAS et al. 1986)

18 Agroforstsysteme Anbau von Energieholz auf landwirtschaftlichen Flächen (Beispiel Rekultivierungsflächen) Gleichzeitiger Anbau von Holz und Feldfrüchten auf einer Fläche

19 C-Akkumulation im Rohboden (in %) einer Alley-Cropping- Versuchsfläche nach 9 Jahren (n=17), Freese 2007

20 Potentiale der C-Bindung in Böden zusammengestellt anhand eigener Messungen und der Literatur Maßnahme Umwandlung von Grünland in Ackerland, Umbruch begrünter Dauerbrache Umwandlung von Ackerland in Grünland, begrünte Dauerbrache C-Bindung t ha -1 a -1 > - 1,0 > 1,0 Anbau mehrjähriger Leguminosen/-Gräser 0,6 bis > 1,0 Anbau von Silomais - 0,4 bis - 0,8 Organische Düngung (Stalldung, Gärreste, Kompost) > 0,5 Reduzierte Bodenbearbeitung (pfluglos, Direktsaat) 0 bis 0,25

21 Carbon Mitigation by Biofuels or by Saving and Restoring Forests? Righelato & Spracklen (2007): Science 317, 902. Cumulative avoided emissions per hectare over 30 years for a range of biofuels compared with the carbon sequestered over 30 years by changing cropland to forest and the loss of carbon to the atmosphere by conversion of forest to cropland.

22 Vermeidungsleistungen (Wissenschaftlicher Beirat Agrarpolitik 2007) Deutscher Bioenergie-Mix führt zu einer durchschnittlichen jährlichen CO 2 -Vermeidung von höchstens 4 t CO 2 ha -1. Grünlandumbruch: von 100 t C org ha -1 werden 40 % abgebaut = 130 t CO 2 ha -1. Der negative Klimaeffekt wird erst nach > 30 Jahren kompensiert.

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24 Emissionsinventur von Betrieben im Tertiärhügelland (Küstermann, Prem, Engelmann & Hülsbergen 2007) Schweinfurt Landshut München Landsberg a.l.

25 Scheyern organic farming system Nachhaltigkeits-Indikator: Emission year von Treibhausgasen Inputs feed, straw 1587 animals 33 internal farm cycling yield 2803 conservation loss 200 Outputs market products 342 conservation loss 200 feed, straw 4081 market products 127 assimilation 5295 Plant straw, green manure 327 Animal CO 2 -enteric ferm CH 4 -enteric ferm. 109 rot loss 781 seed 34 plant residues 1965 SOC Soil 204 organic manure 1171 CH 4 -manure 3 organic manure 500 CO 2 -soil loss 3293 choose year carbon kg ha -1 year -1

26 Scheyern conventionl farming system Inputs year internal farm cycling yield 3894 yield 3894 Outputs market products market products assimilation assimilation Plant 7753 Plant straw, straw, green green manure plant residues 1095 organic Manure organic 293 manure seed 293 seed plant residues 1095 Soil Soil SOC CO 2 -soil loss CO soil loss 4501 choose year carbon kg ha -1 year -1

27 Energieinput und Emission von Treibhausgasen (Küstermann & Hülsbergen 2007) Emission (kg CO 2 eq ha -1 a- 1 ) y = x r 2 = 0, Energie-Input (GJ ha -1 ) org int

28 Emission von Treibhausgasen je Produkteinheit (Küstermann & Hülsbergen 2007) Emission (kg CO 2 eq GJ -1 ) C-Sequestration (kg CO 2 eq ha -1 a -1 ) org int

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30 Möglichkeiten und Grenzen der C-Sequestrierung begrenzte C-Speicherkapazität der Böden abhängig vom Ausgangsgehalt, zeitlich begrenzt, schwierig nachweisbar realistisch sind C-Akkumulationsraten bis ca. 500 kg C ha -1 a -1, das entspricht ca. 1,5 bis 2,0 t CO 2 ha -1 a -1 Tendenziell höhere C-Gehalte im Ökologischen Landbau + 0,2 bis 0,3 % C, das entspricht ca. 10 bis 15 t C ha -1 bzw. 35 bis 50 t CO 2 ha -1

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32 Methoden zur Analyse und Bewertung der C-Speicherung im Humus Messung von Humusgehalten und Vergleich mit Zielwerten (State-Indikatoren) Humusbilanzierung und Modellierung von C-Kreisläufen (Pressure-Indikatoren)

33 Räumliche Variabilität der C org -Gehalte auf einem Ackerschlag (Hülsbergen 2003) 1800 Hochwert [m] mg/100g 1750 mg/100g mg/100g 1350 mg/100g Rechtswert [m]

34 Abhängigkeit des C org -Gehaltes von der Bodentextur (Hoyer & Hülsbergen 2007) 3,5 3 2,5 y = 0,046 x + 0,37 r 2 = 0,80 C org -Geh halt (%) 2 1,5 1 y = 0,041 x + 0,36 r 2 = 0,77 0,5 org int Feinanteil (%)

35 Probleme bei der Bewertung von Humusgehalten räumliche und zeitliche Variabilität der Humusgehalte lange Zeiträume bis zum sicheren Nachweis von Gehalts- und Mengenänderungen (> 10 Jahre) verhältnismäßig geringe Veränderungen (0,5 bis 1,0 t C -1-1 org ha a ) vergleichen mit der Gesamtmenge an Humus (40 bis > 120 t C org ha -1 ) fehlende standortdifferenzierte Richtwerte zu Humusgehalten Standorteinfluss ist wesentlich größer als der Bewirtschaftungseinfluss keine Prognose bewirtschaftungsabhängiger Veränderungen

36 Prinzip der Humusbilanzierung Humussaldo Humuszufuhr = Reproduktionsleistung organischer Substanzen Humusbedarf anbauspezifisch Abschätzung von Veränderungen der Humusvorräte im Boden Menge und Qualität der zugeführten organischen Primärsubstanzen Wirkung der Fruchtarten (Wurzelmasse, Rhizodeposition) und der Anbauverfahren (z.b. Bodenbearbeitung)

37 Richtwerte für die anbauspezifische Veränderung der Humusvorräte ackerbaulich genutzter Böden (VDLUFA 2004) Fruchtart kg Humus-C ha -1 a -1 Verlust ( ) oder Gewinn (+) Zuckerrüben Kartoffeln Silomais untere Werte obere Werte Getreide, Ölfrüchte Körnerleguminosen Luzerne-/Kleegras Stoppelfrüchte Untersaaten

38 Richtwerte für die Humusreproduktionsleistung verschiedener organischer Substanzen (VDLUFA 2004) Organische Substanz TS % Humusreproduktion kg Humus- C t -1 relativ zu Stalldung* Pflanzenmaterial Stroh Gründüngung bis bis Stallmist frisch verrottet Gülle Schwein Rind Biogas-Gülle * C-Humusreproduktionsleistung, bezogen auf gleiche Trockenmasse; verrotteter Stallmist = 100 %

39 Entwicklung von Humusgehalten 120 Humusge ehalt Zeit (a) Humus_Entw.

40 Probleme bei der Bewertung von Humusgehalten verschiedene Bilanzierungsmethoden mit unterschiedlicher Aussage große Schwankungsbreite der Humusbilanzparameter (ohne genaue Angabe der Einflussfaktoren) Parameter für Stroh und Gärrestsubstrate müssen präzisiert werden Parameter für einige Energiepflanzen müssen bestimmt werden Linearität der C-An- und Abreicherung mögliche Überschätzung der Humusversorgung Zielwertbereiche müssen überprüft werden