Landnutzung, Biomasse, Klima

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1 Landnutzung, Biomasse, Klima Eine globale Perspektive University of Natural Resources and Life Sciences, Vienna Dept. of Economics and Social Sciences Institute of Social Ecology Karlheinz Erb Institute of Social Ecology Vienna Biomasse Kaleidoskop, ÖAW, 9.Nov.2018 European Union's Horizon 2020 research and innovation programme under grant agreement Landnutzung-Biomasse-Klima I No Karlheinz Erb I

2 Biomasse, eine zentrale sozioökonomische Ressource 1900: Biomasse nimmt 72% der gesamten globalen Ressourcenextraktion ein 2010: 26% der Ressourcenextraktion Aber: Zunahme der Biomasse-entnahme: Faktor 4.3 Gesamte Extraktion: Zunahmefaktor 12 (Fossilenergie: 15, Erze: 42, Nichtmetallische Mineralien: 50) keine Substitution von Biomasse als Ressource Biomasse ist als Ressource nicht substituierbar: Nahrungsmittel, Tierfutter Krausmann et al., /j.gloenvcha

3 Biomasse, eine zentrale ökologische Ressource Biomasse ist ein zentraler Baustein ökologischer Prozesse: - Steht in direkten Zusammenhang mit dem Energiefluss, der ökologischen Währung der Ökosysteme [Lindemann, Lotka, Odum, und andere] - Nettoprimärproduktion, die Bereitstellung von Energie der autotrophen Organismen - wesentlich für alle heterotrophen Arten (inkl. Mensch) Biodiversität - Akkumulierte NPP: Standing crop of biomass Struktur der Ökosysteme - Zentrale Schnittstelle zwischen Biosphere und Atmosphere: Klimasystem, Klimawandel Odum 1971 IPCC, AR4,

4 Land, ein Sozial-ökologisches System Attribution: Land use and natural factors IPCC AR5, 2014

5 Globale Landnutzung von Biomen zu Anthromes Source: FAO Biomes Anthromes 3 /4 bis 4 /5 des eisfreien Landes sind heute unter Landnutzung Große ungenutzte Gebiete gibt es nur noch in Regionen die: zu kalt sind zu heiss sind zu remote sind Große Unterschiede in der die Intensität der Landnutzung Erb, unpublished Landnutzung-Biomasse-Klima Ellis et al., 2010 I Karlheinz /j x Erb I

6 HANPP human appropriation of net primary production Gesellschaftliche Aneignung von Nettoprimärproduktion Potential NPP Outputs - Benefits HANPP LuC HANPP harv HANPP Actual NPP NPP remaining after harvest Change induced through land use managed ecosystem natural ecosystem Society Inputs - Investments NPP: Nettoproduktion der Pflanzen, Bruttoproduktion minus Pflanzenatmung HANPP: Ein Maß der Gesellschaftlichen Intervention in ökologische Energieflüsse Summe aus verhinderter und geernteter Energie 6

7 Global Human Appropriation of NPP in 2000 HANPP LUC %: Productivity changes due to land coversions << -10% >> Forest 11% Built-up land 4% Grazing land 29% HANPP Human induced fires 7% Cropland 49% Consumption Industrial Wood 6,2% Fuelwood 9,8% Other uses 11,1% Food 13,7% Seed 0,7% Market feed 8,4% Grazing, fodder 50,0% : 13% 25% factor 2 Population: factor 4 GDP: factor 17 HANPP%: Aggregated effect of land use and harvest << -24% >> Haberl et al /pnas Krausmann et al. 2011, /pnas

8 Eine wichtige weitere Herausforderung: Spatial disconnect zwischen Produktion und Konsum Source: Erb et al,ee 2009 Difference of production and consumption of embodied HANPP

9 Bestände, nicht Flüsse... Attribution: Land use and natural factors IPCC AR5, 2014

10 Biomassebestände: derzeitige Schätzungen, massive Unsicherheiten Potenzielle Biomassebestände Aktuelle Biomassbestände Differenz: ~80 PgC (beide sind inventurbasiert, beide sind authoritativ) Erb et al. 2018, doi: /nature25138

11 A FRA-based FRA: Forest Ressource Assessment Sieben mal Biomassebestand aktuell B Pan-based Pan. Y. et al. A Large and Persistent Carbon Sink in the World s Forests. Science (2011). C Saatchi+Thurner-based D Baccini+Thurner-based E Cell-based minima F Cell-based maxima G Ruesch & Gibbs Ruesch. A. & Gibbs. H. K. New IPCC Tier-1 global biomass carbon map for the year (2008) Based on land-use data, bottom-up Erb et al. 2018, doi: /nature25138

12 A IPCC-based. FRA-adjusted B IPCC-based. PAN-adjusted Sechs mal Biomassebestand potenziell C Biomass stock density, cell-based minimum of classical ecological values D Biomass stock density cell-based maximum of classical ecological values E Remote sensing based F West et al. West. P. C. et al. Trading carbon for food: Global comparison of carbon stocks vs. crop yields on agricultural land. PNAS (2010) Based on land-use data, bottom-up Erb et al. 2018, doi: /nature25138

13 Gesellschaftliche Reduktion der globalen Biomassebestände Infrastructure Ambigious Used tropical forest (forest management) Artificial grassland Used subtropical, temperate & boreal forest (forest management) Cropland Natural grassland, with and without trees (grazing) Mean of all 42 permutations * Aktuell: Mittelwert (n=7) 450 PgC ( ) * Potenziell: Mittelwert (n=6) 916 PgC ( ) Reduktion, Median (n=42) 447 (inner quartiles: ) Erb et al. 2018, doi: /nature25138 Halbierung der Biomassebestände durch Landnutzung Effekte von Land Management und Landbedeckungsveränderungen ähnlich groß

14 Sind 450 PgC viel oder wenig? aktuelle C-emissionen aus Fossilenergie & Zement ~9 PgC Globale netto-kohlenstoffemissionen aus Landnutzung ~ 1 PgC; Land Sink C-Absorptionsprozesse der Landökosysteme, durch Klimaänderungen verursacht: ~ -3 PgC Eine Wiederherstellung des Potenzials würde ein Äquivalent von 50 Jahren Emissionen (Stand heute) absorbieren. (das würde aber wenig Sinn machen...) Realistischer Potenziale: Landwirtschaftliche Flächen auf 30% des Potenzials: 7 Jahre, alle Wälder auf 90% des Potenzials: 7-12 Jahre, tropischen Wälder auf 90%: 5-10 Jahre 450 PgC sind deutlich höher als in Modellierungsstudien ermittelt: der Effekt von Management ist in globalen Modellen so gut wie nicht berücksichtigt. Oder sind die 900 PgC potenzieller Biomassebestand eine Überschätzung? Erb et al. 2018, doi: /nature25138

15 Sind die ~900 PgC eine Überschätzung? [oder: sind die IPCC daten zu hoch?] Bias von ökologischen Aufnahmen, Fokus auf ungestörte Habitate ( Überschätzung) Aber: in vielen Regionen gibt es keine unberührte Natur mehr ( Unterschätzung) Gegencheck: Berechnung d. Biomassebestände aus Satellitendaten auf Wilderness Gebieten (Potapov et al., 2017, Venter et al., 2016) Für temperate und subtropische Zone Representänz nicht gegeben. Aber: nationale SCpot Schätzung für AUT: 13 kgc/m 2 ; lokal, Schweiz: 19kgC/m 2 (Global, durchschnitt: 5kgC/m 2 ) Boreal: bekannte Probleme der Satellitendaten eine substanzielle Überschätzung kann ausgeschlossen werden. Intact forests Potential biomass stock Potential biomass stock Erb et al (IPCC based) Extrapolated from satellite data for wilderness areas 15

16 Unsicherheiten, und deren Bedeutung (Regionale) Unsicherheiten der aktuellen Biomassebestände sehr hoch, besonders in Regionen am Rand der tropischen Kerngebiete Übersetzt man die Unsicherheiten in detection limits (Signal muss größer sein als die Unsicherheit), dann ergibt sich die hier dargestellte Karte. zb. In vielen Gebieten in den Tropen ist das detection limit >750gC/m²/yr, das ist im Bereich der jährlichen Pflanzenproduktion (NPP) Ein Problem für climate change migitation Strategien. Related to actual biomass stocks

17 Bestände & Flüsse: Turnover Turnover rate: Schlüsselvariable von Ökosystemen: das Verhältnis von Bestand und Fluss: τ b = SC / NPP Einheit: [yr -1 ] (turnover) oder [yr] (mean residence time) Turnover bestimmt die Größe des C-Pools, nicht Produktivität Die Auswirkungen von Landnutzung auf τ b sind wenig erforscht, oft sogar ignoriert Determinants of ecosystem carbon turnover time Precipitation Carvalhais et al., 2014 doi: /nature13731 Temperature 17

18 Eine tiefgreifende Umstrukturierung ökologischer Prozesse: Beschleunigung der Turnover Rate Potential vegetation: 13.7 yrs Global Acceleration factor: 1.9 Actual vegetation: 7.1 yrs Alle Biome zeigen ähnliche Muster Der Effekt von Landnutzung auf Bestände ist viel stärker als auf NPP (NPP, SC ) Hoher Erntedruck korreliert mit hoher Beschleunigung. Biomassenachfrage wird wahrscheinlich steigen schon heute kommen die meiste Ernteprodukte aus schnellen Ökosystemen Erb et al doi: /ngeo

19 Ein Blick nach vorn... Wieviel Bioenergie ist möglich? Derzeitige globale technische Energie ~450EJ/yr Davon Bioenergie ~50 EJ/yr (hauptsächlich Brennholz) Zum Vergleich: gesamte Biomasseernte: ~250 EJ/yr Heutige Landnutzung geht mit gravierenden Umweltproblemen einher: GHG emissionen, Degradation, Biodiversitätsverlust, etc. Was sind die globale Auswirkungen einer Bioökonomie, die auf die (~simple~) Substitution von Fossilenergie durch Biomasse abzielt? Nachfrageseitige Strategien bringen viele Vorteile gg.über Effizienzstrategien: großer Optionenraum, kein Rebound-effekt. - Land-use intensity / area expansion + + Diets - Haberl et al., 2012 Newbold et al.,

20 Schlussfolgerungen Die Auswirkungen der Landnutzung auf Biomasse-flüsse und Bestände sind massiv: 25% HANPP, -50% biomass stock (Österreich -64%. ), Verdoppelung der Turnoverrate Steigerung der Erträge war und ist möglich, HANPP ist von Bevölkerung los-koppelbar. Aber: heutzutage hauptsächlich auf Inputs basierend, die lokale Ökosysteme und/oder das Klima belasten- zentraler Trade-off Biomasseproduktion und -konsum sind zunehmend räumlich getrennt. Herausforderung für Wissenschaft und (Nachhaltigkeits)Politik und (komplexe Ursache-Wirkungsgeflechte; leakage) Management Effekte (Waldnutzung, Beweidung und andere Nutzungen von natürlichen Grasländern) sind so global so bedeutsam wie die Abholzung. Diese Effekte sind derzeit aber kaum beachtet. Schutz der globalen Waldflächen ist essentiell, aber nicht ausreichend im Sinne der Klimawandelbekämpfung. Unsicherheiten sind am größten in jenen Gebieten, die als Hoffnungsfelder für Bioenergie diskutiert werden. Zentrale Herausforderung: Wie kann Ernte gesteigert werden ohne den Turnover massiv zu beschleunigen? Zentraler Trade-off Demand-side strategies Nachfrageseitige Strategien sind von zentraler Bedeutung

21 The End Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit European Union's Horizon 2020 research and innovation programme under grant agreement No Detecting changes in essential ecosystem and biodiversity properties towards a Biosphere Atmosphere Change Index: BACI (lead: MPG Jena) 21