Effects of land-based climate change mitigation on ecosystem carbon cycling and beyond
Creators: name: Krause, Andreas
Publisher: name: Karlsruhe
Year: 2018
Subjects: land-use change
recovery trajectories
carbon dioxide removal
negative emissions
land-based mitigation
BECCS
avoided deforestation and afforestation
ecosystem services

description: Landnutzungs- und Bodenbedeckungsänderungen haben große 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 Möglichkeit zusätzlichen Kohlenstoff zu speichern, falls eine entsprechende Nutzung erfolgt. Tatsächlich wird die Kohlenstoffentnahme aus der Atmosphäre („negative Emissionen“) durch landbasierte Klimaschutztechnologien mehr und mehr als notwendig erachtet, um die globale Erwärmung auf unter 2°C zu begrenzen. Jedoch ist die potentielle Kohlenstoffentnahme unter Berücksichtigung der begrenzten Landverfügbarkeit und der damit verbundenen Auswirkungen auf die Umwelt sehr unsicher. In dieser Doktorarbeit nutze ich jüngste Fortschritte bezüglich der Darstellung von Landnutzungs- und Boden-bedeckungsänderungen in dynamischen globalen Vegetationsmodellen (insbesondere mit Hilfe des Models LPJ-GUESS), um die längerfristigen Auswirkungen von Landnutzungswandel auf die Regeneration von Ökosystemen zu erforschen. Außerdem untersuche ich das Kohlenstoffentnahmepotential durch landbasierte Klimawandelminderungsstrategien, sowie die damit verbundenen Nebeneffekte auf eine Reihe weiterer Indikatoren von Ökosystemdienstleistungen über die Kohlenstoffspeicherung hinaus.
Idealisierte Landnutzungsszenarien werden benutzt, um den Einfluss der Landnutzungsgeschichte (bezüglich der landwirtschaftlichen Nutzungsart und Zeitdauer) auf die Regeneration von Kohlenstoff in Ökosystemen nach Beendigung der landwirtschaftlichen Nutzung zu erforschen. Simulationen mit dem LPJ-GUESS Modell zeigen, dass nahezu alle globalen Ökosysteme Jahrzehnte oder Jahrhunderte benötigen, um zu ihrem ursprünglichen Zustand zurückzukehren. Die Art und Zeitdauer der früheren Landnutzung ist besonders wichtig für die Regeneration des Bodenkohlenstoffs, für den sich die Regenerationszeiten oftmals um Jahrhunderte innerhalb der Szenarien unterscheiden. Die Landnutzungsgeschichte ist jedoch auch für die Regeneration des Vegetationskohlenstoffs und der Vegetationszusammensetzung von Bedeutung, für die sich Unterschiede von mehreren Jahrzehnten innerhalb der Szenarien ergeben. Räumlich betrachtet findet man den größten Einfluss der früheren Landnutzung in borealen Wäldern und subtropischen Grasländern. Die Simulationen zeigen, dass die Landnut-zungsgeschichte bei der Bewertung von Landnutzungs- und Bodenbedeckungsänderungen als Möglichkeit zur Kohlenstoffentnahme aus der Atmosphäre berücksichtigt werden sollte.
Landbasierte Kohlenstoffentnahmeoptionen werden dann auf der Grundlage von Landnutzungsprojektionen zukünftiger Klimawandelminderungsstrategien (der Erhalt und die Ausweitung von Wäldern, Bioenergie kombiniert mit Kohlenstoffabscheidung und Speicherung oder eine Kombination beider Ansätze) zweier Landnutzungsmodelle weiter erforscht, um die voraussichtliche Wirksamkeit und die Umweltrisiken von Landbewirtschaftung zur Kohlenstoffspeicherung zu ermitteln. Die Landnutzungsszenarien dienen als Eingabedaten für vier dynamische globale Vegetationsmodelle, um die Kohlenstoffentnahme aus der Atmosphäre 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 ursprünglich in den Landnutzungsmodellen realisiert wurde (86-141 GtC). Die Unterschiede in der Kohlenstoffentnahme zwischen den Modellen sind vermutlich vor allem den Modellannahmen über die Erträge von Bioenergiepflanzen zuzuschreiben und wie Änderungen im Bodenkohlenstoff durch Landnutzungsänderungen simuliert werden. Ein geringer Anteil wird auch durch Unterschiede in der Waldbiomasse und der Waldwachstumsrate erklärt. Bezüglich der Auswirkungen auf weitere Indikatoren von Ökosystemdienstleistungen zeigt sich, dass der Schutz und die Ausweitung der Wälder allgemein größere Effekte als der Anbau von Bioenergiepflanzen hervorrufen. Dies hängt mit dem unterschiedlichen Flächenbedarf beider Ansätze zusammen. Aufforstung führt im Vergleich zu einem Referenzszenario zu einer 1.3-2.1% höheren Verdunstung und Transpiration und zu 15.7-24.1% höheren Emissionen von flüchtigen organischen Verbindungen, wobei sich die Spannweite aus den Simulationen ergibt die auf den beiden unterschiedlichen Landnutzungsmodellen basieren. Außerdem 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 flüchtiger organischer Verbindungen um 2.2-8.2%, während die Albedo, die Verdunstung und Transpiration, sowie der Abfluss kaum beeinflusst werden.
Zusammengefasst sind eine angemessene Darstellung von Landnutzungs- und Bodenbedeckungs-änderungen in Vegetationsmodellen, sowie eine detaillierte Auswertung der direkten und indirekten Effekte entscheidend, um robustere Aussagen darüber treffen zu können, wie sich landbasierte Klimawandelminderungsstrategien auf den Kohlenstoffkreislauf auswirken. Außerdem können so die Folgen für Ökosystemfunktionen, die weiteren Ökosystemdienstleistungen unterliegen, besser abgeschätzt werden, sowohl hinsichtlich von Zusatznutzen als auch von Einbußen. Die Ergebnisse der vorliegenden Doktorarbeit weisen darauf hin, dass die Kohlenstoffentnahme, die üblicherweise in ambitionierten Klimaschutzszenarien als realisierbar erachtet wird, deutlich zu hoch angesetzt sein könnte. Wenn zusätzlich die damit verbundenen Auswirkungen auf weitere Ökosystemdienstleistungen, sowie die technologischen Herausforderungen berücksichtigt werden, so erscheint die stetig wachsende Abhängigkeit von negativen Emissionen, um das 2°C Ziel zu erreichen, als eine höchst riskante Strategie.