Effects of land-based climate change mitigation on ecosystem carbon cycling and beyond

Landnutzungs- und Bodenbedeckungsanderungen haben grose Auswirkungen auf das Klima. Die kumulativen Landnutzungsemissionen zwischen 1750 und heute entsprechen etwa einem Drittel der gesamten menschlichen CO2-Emissionen in diesem Zeitraum und trugen somit erheblich zum Anstieg der globalen Durchschnittstemperatur um etwa 1°C im Vergleich zum vorindustriellen Zeitalter bei. Das Land stellt insgesamt jedoch momentan eine Netto-Kohlenstoffsenke dar und besitzt die Moglichkeit zusatzlichen Kohlenstoff zu speichern, falls eine entsprechende Nutzung erfolgt. Tatsachlich wird die Kohlenstoffentnahme aus der Atmosphare („negative Emissionen“) durch landbasierte Klimaschutztechnologien mehr und mehr als notwendig erachtet, um die globale Erwarmung auf unter 2°C zu begrenzen. Jedoch ist die potentielle Kohlenstoffentnahme unter Berucksichtigung der begrenzten Landverfugbarkeit und der damit verbundenen Auswirkungen auf die Umwelt sehr unsicher. In dieser Doktorarbeit nutze ich jungste Fortschritte bezuglich der Darstellung von Landnutzungs- und Boden-bedeckungsanderungen in dynamischen globalen Vegetationsmodellen (insbesondere mit Hilfe des Models LPJ-GUESS), um die langerfristigen Auswirkungen von Landnutzungswandel auf die Regeneration von Okosystemen zu erforschen. Auserdem untersuche ich das Kohlenstoffentnahmepotential durch landbasierte Klimawandelminderungsstrategien, sowie die damit verbundenen Nebeneffekte auf eine Reihe weiterer Indikatoren von Okosystemdienstleistungen uber die Kohlenstoffspeicherung hinaus. Idealisierte Landnutzungsszenarien werden benutzt, um den Einfluss der Landnutzungsgeschichte (bezuglich der landwirtschaftlichen Nutzungsart und Zeitdauer) auf die Regeneration von Kohlenstoff in Okosystemen nach Beendigung der landwirtschaftlichen Nutzung zu erforschen. Simulationen mit dem LPJ-GUESS Modell zeigen, dass nahezu alle globalen Okosysteme Jahrzehnte oder Jahrhunderte benotigen, um zu ihrem ursprunglichen Zustand zuruckzukehren. Die Art und Zeitdauer der fruheren Landnutzung ist besonders wichtig fur die Regeneration des Bodenkohlenstoffs, fur den sich die Regenerationszeiten oftmals um Jahrhunderte innerhalb der Szenarien unterscheiden. Die Landnutzungsgeschichte ist jedoch auch fur die Regeneration des Vegetationskohlenstoffs und der Vegetationszusammensetzung von Bedeutung, fur die sich Unterschiede von mehreren Jahrzehnten innerhalb der Szenarien ergeben. Raumlich betrachtet findet man den grosten Einfluss der fruheren Landnutzung in borealen Waldern und subtropischen Graslandern. Die Simulationen zeigen, dass die Landnut-zungsgeschichte bei der Bewertung von Landnutzungs- und Bodenbedeckungsanderungen als Moglichkeit zur Kohlenstoffentnahme aus der Atmosphare berucksichtigt werden sollte. Landbasierte Kohlenstoffentnahmeoptionen werden dann auf der Grundlage von Landnutzungsprojektionen zukunftiger Klimawandelminderungsstrategien (der Erhalt und die Ausweitung von Waldern, Bioenergie kombiniert mit Kohlenstoffabscheidung und Speicherung oder eine Kombination beider Ansatze) zweier Landnutzungsmodelle weiter erforscht, um die voraussichtliche Wirksamkeit und die Umweltrisiken von Landbewirtschaftung zur Kohlenstoffspeicherung zu ermitteln. Die Landnutzungsszenarien dienen als Eingabedaten fur vier dynamische globale Vegetationsmodelle, um die Kohlenstoffentnahme aus der Atmosphare durch landbasierte Klimawandelminderungsstrategien in einem RCP2.6 Klima zu simulieren. Die Kohlenstoffentnahme, die am Ende des Jahrhunderts in den dynamischen Vegetationsmodellen erreicht wird, ist normalerweise geringer (19-130 GtC) als die Kohlenstoffentnahme, die ursprunglich in den Landnutzungsmodellen realisiert wurde (86-141 GtC). Die Unterschiede in der Kohlenstoffentnahme zwischen den Modellen sind vermutlich vor allem den Modellannahmen uber die Ertrage von Bioenergiepflanzen zuzuschreiben und wie Anderungen im Bodenkohlenstoff durch Landnutzungsanderungen simuliert werden. Ein geringer Anteil wird auch durch Unterschiede in der Waldbiomasse und der Waldwachstumsrate erklart. Bezuglich der Auswirkungen auf weitere Indikatoren von Okosystemdienstleistungen zeigt sich, dass der Schutz und die Ausweitung der Walder allgemein grosere Effekte als der Anbau von Bioenergiepflanzen hervorrufen. Dies hangt mit dem unterschiedlichen Flachenbedarf beider Ansatze zusammen. Aufforstung fuhrt im Vergleich zu einem Referenzszenario zu einer 1.3-2.1% hoheren Verdunstung und Transpiration und zu 15.7-24.1% hoheren Emissionen von fluchtigen organischen Verbindungen, wobei sich die Spannweite aus den Simulationen ergibt die auf den beiden unterschiedlichen Landnutzungsmodellen basieren. Auserdem kommt es zu einer um 0.8-1.3% verringerten Albedo, einem um 0.7-2.2% verringerten Abfluss, einer um 3.5-35.1% verringerten landwirtschaftlichen Produktion und einer Verringerung der Stickstoffverluste um 6.7-13.2%. In den Bioenergiesimulationen kommt es zu einer Abnahme der landwirtschaftlichen Produktion um 6.6-9.7%, der Stickstoffverluste um 7.6-10.3% und der Emissionen fluchtiger organischer Verbindungen um 2.2-8.2%, wahrend die Albedo, die Verdunstung und Transpiration, sowie der Abfluss kaum beeinflusst werden. Zusammengefasst sind eine angemessene Darstellung von Landnutzungs- und Bodenbedeckungs-anderungen in Vegetationsmodellen, sowie eine detaillierte Auswertung der direkten und indirekten Effekte entscheidend, um robustere Aussagen daruber treffen zu konnen, wie sich landbasierte Klimawandelminderungsstrategien auf den Kohlenstoffkreislauf auswirken. Auserdem konnen so die Folgen fur Okosystemfunktionen, die weiteren Okosystemdienstleistungen unterliegen, besser abgeschatzt werden, sowohl hinsichtlich von Zusatznutzen als auch von Einbusen. Die Ergebnisse der vorliegenden Doktorarbeit weisen darauf hin, dass die Kohlenstoffentnahme, die ublicherweise in ambitionierten Klimaschutzszenarien als realisierbar erachtet wird, deutlich zu hoch angesetzt sein konnte. Wenn zusatzlich die damit verbundenen Auswirkungen auf weitere Okosystemdienstleistungen, sowie die technologischen Herausforderungen berucksichtigt werden, so erscheint die stetig wachsende Abhangigkeit von negativen Emissionen, um das 2°C Ziel zu erreichen, als eine hochst riskante Strategie.