Kohlenstoff-Senken und -Quellen landwirtschaftlicher Flächen und Böden

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Eduard Rothbauer
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1 Chance und Risiken biologischer Kohlenstoffsenken Was und wieviel wissen wir? ETH Zürich, 29. Juni 24 Kohlenstoff-Senken und -Quellen landwirtschaftlicher Flächen und Böden Jürg Fuhrer und Jens Leifeld Eidg. Forschungsanstalt für Agrarökologie und Landbau Lufthygiene/Klima 846 Zürich

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

3 Landnutzung in Europa

4 Jährlicher Boden C-Fluss (t C ha -1 a -1 ) Quelle Senke

5 Verteilung der Boden C-Flüsse (Simulation) Ackerland Grasland Vleeshouwers & Verhagen, 22 Quelle Senke (t C ha -1 a -1 )

6 Böden als CO 2 -Quellen und -Senken Landwirtschaftsböden in Europa (bis zum Ural): (Janssens et al., 21) Ackerland: - 3 Tg C a -1 (± 186) Grasland: +11 Tg C a -1 (± 133) Grösste biosphärische Quelle für CO 2 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

7 Kohlenstoff in der Landwirtschaft Acker-Kunstwieserotation: Oberirdische Biomasse.9% Unterirdische Biomasse 1.6% Boden- C 97.5% Pflanzenbiomasse Boden soil 9 t OC ha -1 ( -1cm) Für landwirtschaftliche Aktivitäten ist der Boden-C entscheidend

8 C-Flüsse in Agrarökosystemen Ernte Netto Photosynthese Ernterückstände Organische Dünger CO2 Emission Organischer Boden- Kohlenstoff Exudate Wurzeln Stabile Fraktion Labile Fraktion Auswaschung

9 Boden C-Pools Unprotected soil C CO 2 Litter quality Unprotected soil C Aggregate turnover Microaggregate associated soil C CO 2 Adsorption/desorption Silt- and clayassociated soil C CO 2 Physically protected soil C Condensation/complexation Non-hydrolyzable soil C CO 2 Biochemically protected soil C Konzeptionelles Model der organischen Bodensubstanz (SOM) Dynamik mit messbaren Pools (Six et al., 22).

10 Steuerungsgrössen für Boden C Abiotisch Temperatur Feuchtigkeit Durchlüftung Boden C Bewirtschaftung Bodenbearbeitung Düngung Ernterückstände Organische Zugaben Bodeneigenschaften Textur Tonmineralogie Bodentiefe ph

11 Dauergrünland (einschl. Alpweiden) Bodentiefe (cm) Ackerland Kunstwiesen C-Verteilung im Boden C org (%) Leifeld et al., 23

12 Einfluss von Landnutzung und Tongehalt Landnutzung: Wiesland höhere Lagen > Wiesland tiefere Lagen > Kunstwiese > Acker Tongehalt: Positiver Einfluss; besonders wichtig bei Mittellandböden C org (%) a* b c d a b c Ackerböden Kunstwiesen Dauergrünland (< 1 m üm) Dauergrünland (> 1 m üm) < 2% Ton 2 to 4% Ton > 4% Ton Leifeld et al., 23

13 C-Vorrat -2 cm (t ha -1 ) Einfluss der Höhenlage Günstiges Wiesland Ungünstiges Wiesland 1 5 C-Gehalt -2 cm (%) Höhe Höhenlage: Einfluss der Temperatur Zusätzliche Steuerungsgrössen: Profiltiefe und Skelettgehalt (Alpen und Jura) Leifeld et al., 23

14 Kohlenstoffgehalte C org (t ha -1 ) Acker Kunstwiese günstiges Wiesland ungünstiges Wiesland und alpwirtschaftliche Nutzflächen intakte Moore kultivierte Moore Organische Böden 2 1 Mineralische Böden Boden- und Landnutzungstyp 1. Mineralböden: -1 cm; Moore: -2 cm Leifeld et al., 23

15 C-Abbau in organischen Böden Organischer Kohlenstoff (Mio t) Bewirtschaftete Fläche seit 1885: 17 ha Mittlere Abbaurate 9.52 t C ha -1 a -1 Obergrenze t C ha -1 a -1 Untergrenze 7.34 t C ha -1 a Jahr C-Vorrat in organischen Böden: t ha -1 Leifeld et al., 23

16 Abschätzung des gesamten C-Vorrats Boden-Datenbank Bodeneignungskarte Geländemodell Landnutzung - Gemeinde Steuerungsgrössen: Stat. Beziehungen Steuerungsgrössen: Raumbezug C-Vorrat in Mineralböden Arealstatistik Moorinventare Kultivierte Moore (Schätzung) C-Vorrat in organischen Böden

17 Kohlenstoffvorräte 6 Intakte Moore Organische Böden Dauergrünland Kunstwiese Ackerland n) Kohlenstoffvorrat (Mio Tonne Kohlenstoffvorrat (Mio Tonnen) intact peatlands organic soils (cultivated) permanent grassland (mineral soils temporary grassland (mineral soils) arable (mineral soils) Höhenstufe (m) Mineralische Böden Total 17 Mt C Organische Böden (kultiviert) davon 28% in intakten und kultivierten Mooren (37 ha) Leifeld et al., 23

18 Änderung der Landnutzung Zeit Gleichgewicht 2 Boden C Gleichgewicht 1 C< C C> Messbar? Beginn der Kultivierung Nutzungsänderung

19 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 C org Intermediärer C org Validierung Poolgrössen Passiver C org

20 FAL Kyoto-Wiese 22-? Extensiv Intensiv

21 Bilanz des netto CO 2 Fluss 8 Tag Nacht Netto Bilanz 6 1% 4 1% CO 2 Austausch [t C ha -1 a -1 ] INT EXT 1% 1% INT EXT INT EXT 29% 32% Ammann et al, unpubl.

22 Pfluglose Bewirtschaftung (no-till) (NT-CT) (g C/m2) C org Änderung (% a -1 ) heavy-textured soils all other textures Years under no-till Dauer (Jahre) C org Änderung (% a -1 ) US Experimente (2-25 cm) Paustian, 23 3 CH Experimente Leifeld et al., Tongehalt (%)

23 Bewirtschaftung der Ackerkulturen Mg soil C per hectare Lexington, KY plow till no till N fertilizer rate (kg/hectare/year) Paustian, 23 Carbon stocks in no-till vs plow treatments under continuous maize and different fertilizer levels after 25 years.

24 Umwandlung von Acker- in Grünland Zunahme in C org (-3 cm) (t ha -1 ) Jahre semi-arid humid Paustian, 23

25 C-Sequestrierung: Raten C-Akkumulation (t C ha -1 a -1 ) Hofdünger (1 t ha -1 ).2-.5 Klärschlamm.25 Ernterückstände/Stroh.2 Acker- zu Grünland.3-.5 No till.2-.4 Acker- in Grünland.3-1. Extensivierung.5 Leifeld et al., 23, Dendoncker et al., 24

26 C-Sequestrierung: EU-15 Potenziale y -1 ) Maximum C Mitigation - Potential (Tg C Manure Sludge Straw No-till Extensification Woodland Bioenergy Land Management Change % Offset of 199 European CO 2 -C emissions Smith et al. (2)

27 Gesamtbilanz der Treibhausgase -1 ) Maximum C Mitigation Potential (Tg C y = CO 2 -C alone = CO 2 -C plus N 2 O and CH 4 = CO 2 only = with trace gases Manure Sludge Straw No-till Extensification Bioenergy Woodland Land Management Change % Offset of 199 European CO 2 Emissions Smith et al. (21)

28 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., 23

29 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 39 t C (Bereich t). Maximal: 1,1 Mio t CO 2 Einsparung, was etwa 27% der Schweizer Kyoto-Verpflichtung entspricht. Vergleich Europäische Union (EU-15): durch Ausdehnung der pfluglosen Bewirtschaftung auf 3% und reduzierte Bodenbearbeitung auf 4% der Ackerfläche Jährliche Einsparung von ca. 15 Mio t CO 2, was etwa 4% der EU Kyoto-Verpflichtung entspricht.

30 C-Senkenpotenzial vs. Emission von CH 4 + N 2 O CO 2 Äquivalente (Gg a -1 ) Direktsaat 2 Potenzielle Senke (Renaturierung org. Böden plus Umwandlung Ackerland) CH 4 plus N 2 O Emissionen Landwirtschaft 2 = 21% von CH 4 +N 2 O Leifeld et al., 23

31 Vergleich von CO 2 Äquivalent-Flüssen 5 e (Mt a -1 ) CO 2 Äquivalent N 2 O- Emission -1-2 CH 4 - No till Emission 2 Senken- Potenzial Landwirtschaft Wald- Senke Heutige Verluste org. Böden Heutige Verluste durch Urbanisierung -3 Leifeld et al., 23

32 Begrenzung des Senkenpotenzials Maximum Minimum Potenzial der C-Sequestrierung Biologisches Potenzial Ökonomisch begrenztes Potenzial Biologisch/physikalisch begrenztes Potenzial (Bodeneignung) Sozial/politisch begrenztes Potenzial = realistisch erreichbares Potenzial (~1% des biologischen Potenzials)

33 Schätzungen Sequestrierungspotenzial (EU-15 Ackerland) C Sequestrierungspotenzial 21 (Tg a -1 ) Untere Grenze Obere Grenze 1 = Vleeshouwers & Verhagen (22) 2 = Smith et al. (1997, 2) 3 = Freibauer et al. (24) 4 = Smith et al. (24)

34 Künftige Entwicklung Boden C Vorrat bis 3 cm (t C ha -1 ) ohne organische Böden Boden C Vorrat (t C ha -1 ) SRES-B2 plus convert grassland to arable in 2 SRES climate only Jahre nach 19 Verlust (21-21) von 37.7 t C ha -1 im Vergleich zu Verlust von 9.5 t C ha -1 infolge Klimaveränderung (Smith 24, unpublished)

35 Ausblick Landwirtschaftliche Senke: - Kleiner als die Waldsenke - Relevant im Vergleich zu CH 4 und N 2 O Ausnutzung nur bei erheblichen Veränderungen der landwirtschaftlichen Struktur Im internationalen Vergleich ist Potenzial klein: Landwirtschaftliche Struktur, naturräumliche Bedingungen und massvollere Vornutzung wirken limitierend

36 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

37 Danke!

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