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Jürg Fuhrer, 29.6.2004
Chance und Risiken biologischer Kohlenstoffsenken –Was und wieviel wissen wir?
ETH Zürich, 29. Juni 2004
Kohlenstoff-Senken und -Quellen landwirtschaftlicher Flächen und BödenJürg Fuhrer und Jens Leifeld
Eidg. Forschungsanstalt für Agrarökologie und LandbauLufthygiene/Klima8046 Zürich
Jürg Fuhrer, 29.6.2004
Inhalt
• Kohlenstoff in Agrarökosystemen• C-Sequestrierung• Das Potenzial von Massnahmen• Treibhausgasbilanz• Ausblick
Jürg Fuhrer, 29.6.2004
Landnutzung in Europa
Jürg Fuhrer, 29.6.2004
Jährlicher Boden C-Fluss
(t C ha-1 a-1)
Senk
e →
←Q
uelle
Jürg Fuhrer, 29.6.2004
Verteilung der Boden C-Flüsse (Simulation)
Vlee
shou
wer
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Verh
agen
, 200
2
Ackerland Grasland
Quelle Senke
(t C ha-1 a-1)
Jürg Fuhrer, 29.6.2004
Böden als CO2-Quellen und -Senken
• Landwirtschaftsböden in Europa (bis zum Ural):(Janssens et al., 2001)
Ackerland: - 300 Tg C a-1 (± 186)
Grasland: +101 Tg C a-1 (± 133)
→Grösste biosphärische Quelle für CO2 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
Jürg Fuhrer, 29.6.2004
Kohlenstoff in der Landwirtschaft
soil
(0 -100cm)
-Kunstwieserotation:
Oberirdische Biomasse0.9%
Unterirdische Biomasse1.6%
Boden- C97.5%
Boden90 t OC ha-1
-100cm)
Acker-Kunstwieserotation:
Oberirdische Biomasse0.9%
Unterirdische Biomasse1.6%
Boden-97.5%
Pflanzen-biomasse
→ Für landwirtschaftliche Aktivitäten ist der Boden-C entscheidend
Jürg Fuhrer, 29.6.2004
C-Flüsse in Agrarökosystemen
Netto
Photosynthese
Ernte
CO
2 Em
issi
on
Stabile Fraktion
Organischer Boden-Kohlenstoff
Wur
zeln
Ernt
erüc
kstä
nde
Org
anis
che
Dün
ger
Exud
ate
Labile Fraktion
Auswaschung
Jürg Fuhrer, 29.6.2004
Boden C-Pools
Physicallyprotected
soil C
Biochemicallyprotected
soil C
Unprotectedsoil C
Unprotectedsoil C
Microaggregateassociated soil C
Silt- and clay-associated soil C
Non-hydrolyzablesoil C
Aggregate turnover Adsorption/desorption
Condensation/complexation
CO2
CO2
CO2
CO2
Litter quality
Konzeptionelles Model der organischen Bodensubstanz (SOM) Dynamik mit messbaren Pools (Six et al., 2002).
Jürg Fuhrer, 29.6.2004
Steuerungsgrössen für Boden C
Boden C
AbiotischTemperaturFeuchtigkeitDurchlüftung
BewirtschaftungBodenbearbeitungDüngungErnterückständeOrganische Zugaben
BodeneigenschaftenTexturTonmineralogieBodentiefepH
Jürg Fuhrer, 29.6.2004
C-Verteilung im Boden
0 2 4 6 8 10
Bod
entie
fe (c
m)
0
20
40
60
80
100
Corg (%)
Leifeld et al., 2003
(einschl. Alpweiden)Dauergrünland
AckerlandKunstwiesen
Jürg Fuhrer, 29.6.2004
Einfluss von Landnutzung und Tongehalt
14
0
2
4
6
8
10
12
< 20% Ton20 to 40% Ton> 40% Ton
AckerbödenKunstwiesenDauergrünland (< 1000 m üM)Dauergrünland (> 1000 m üM)
a* b c d a b c
Landnutzung: Wiesland höhere Lagen > Wiesland tiefere Lagen > Kunstwiese > AckerTongehalt: Positiver Einfluss; besonders wichtig bei Mittellandböden
Leifeld et al., 2003
0
2
4
6
8
10
12
Cor
g(%
)
Jürg Fuhrer, 29.6.2004
Einfluss der Höhenlage
Höhe0 500 1000 1500 2000 2500 3000
C-V
orra
t 0-2
0 cm
(t h
a-1)
0
10
20
30
40
50
60
70
C-G
ehal
t 0-2
0 cm
(%)
0
5
10
15
Günstiges Wiesland
Ungünstiges Wiesland
Höhenlage: Einfluss der TemperaturZusätzliche Steuerungsgrössen: Profiltiefe und Skelettgehalt (Alpen und Jura)
Leifeld et al., 2003
Jürg Fuhrer, 29.6.2004
Boden- und Landnutzungstyp
Cor
g(t
ha-1
)
0
200
800
1000
1200
1400
1600
1800AckerKunstwiesegünstiges Wieslandungünstiges Wiesland und alpwirtschaftliche Nutzflächenintakte Moorekultivierte Moore
Kohlenstoffgehalte
Mineralische Böden
Organische Böden
100
1. Mineralböden: 0-100 cm; Moore: 0-200 cmLeifeld et al., 2003
Jürg Fuhrer, 29.6.2004
C-Abbau in organischen Böden
Jahr1850 1900 1950 2000 2050 2100 2150 2200 2250 2300O
rgan
isch
er K
ohle
nsto
ff (M
io t)
0
5
10
15
20Untergrenze
⇒ C-Vorrat in organischen Böden: 712 – 1042 t ha-1
Bewirtschaftete Fläche seit 1885: 17‘000 ha
40Mittlere Abbaurate 9.52 t C ha-1 a-1
35
Obergrenze 11.68 t C ha-1 a-130
25 7.34 t C ha-1 a-1
Leifeld et al., 2003
Jürg Fuhrer, 29.6.2004
Abschätzung des gesamten C-Vorrats
Boden-Datenbank
Bodeneignungs-karte
Geländemodell
Landnutzung -Gemeinde
Arealstatistik
Moorinventare
Kultivierte Moore (Schätzung)
Steuerungsgrössen: Stat. Beziehungen
Steuerungsgrössen: Raumbezug
C-Vorrat in Mineralböden
C-Vorrat in organischen
Böden
Jürg Fuhrer, 29.6.2004
Kohlenstoffvorräte
Höhenstufe (m)
Koh
lens
toffv
orra
t (M
ioTo
nnen
) Koh
lens
toffv
orra
t (M
ioTo
nne
10
20
30
Mineralische Böden Organische Böden(kultiviert)
Ackerland
Kunstwiese
Dauergrünland
Organische BödenIntakte Moore
0 500 1000 1500 2000 25000
5
10
15
20
arable (mineral soils)temporary grassland (mineral soils)permanent grassland (mineral soilsorganic soils (cultivated)intact peatlands Total 170 Mt C
davon 28% in intakten und kultivierten Mooren (37‘000 ha)
n)
60
50
40
Leifeld et al., 2003
Jürg Fuhrer, 29.6.2004
Änderung der Landnutzung
Zeit
Gleichgewicht 1 Messbar?
Gleichgewicht 2
Bod
en C
∆C<0 ∆C≈ 0 ∆C>0
Beginn derKultivierung
Nutzungs-änderung
Jürg Fuhrer, 29.6.2004
Quantifizierung der SenkenProblem: 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 Corg
Passiver Corg
Intermediärer CorgValidierung
Poolgrössen
Jürg Fuhrer, 29.6.2004
FAL „Kyoto-Wiese“ 2002-?
Extensiv Intensiv
Jürg Fuhrer, 29.6.2004
Bilanz des netto CO2 Fluss
-12
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8Tag Nacht Netto Bilanz
CO
2A
usta
usch
[t C
ha-1
a-1
]
INT EXT
INT EXT
INT EXT
10%
10%10%
10%
29%32%
Am
man
n et
al,
unpu
bl.
Jürg Fuhrer, 29.6.2004
Pfluglose Bewirtschaftung (no-till)
-500
0
500
1000
1500
0 5 10 15 20 25
Years under no-till
(NT
-CT
) (g
C/m
2) heavy-textured soils all other textures US Experimente(20-25 cm)
Paustian, 2003
Tongehalt (%)0 10 20 30 40 50 60
Cor
gÄ
nder
ung
(% a
-1)
-1
0
1
2
3 CH ExperimenteLeifeld et al., 2003
Dauer (Jahre)0 5 10 15 20 25 30 35 40
Cor
gÄ
nder
ung
(% a
-1)
-1
0
1
2
3
Jürg Fuhrer, 29.6.2004
Bewirtschaftung der AckerkulturenLexington, KY
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
0 84 168 336
N fertilizer rate (kg/hectare/year)
Mg
soil
C p
er h
ecta
replow tillno till
Paus
tian,
200
3
Carbon stocks in no-till vs plow treatments under continuous maize and different fertilizer levels after 25 years.
Jürg Fuhrer, 29.6.2004
Umwandlung von Acker- in Grünland
0
5
10
15
20
25
30
0 1Zuna
hme
in C
org
(0-3
0 cm
) (t h
a-1 )
semi-aridhumid
0 20 30Jahre
Paustian, 2003
Jürg Fuhrer, 29.6.2004
C-Sequestrierung: Raten
C-Akkumulation (t C ha-1 a-1)Hofdünger (10 t ha-1) 0.2-0.5Klärschlamm 0.25Ernterückstände/Stroh 0.2 Acker- zu Grünland 0.3-0.5No till 0.2-0.4Acker- in Grünland 0.3-1.0Extensivierung 0.5
Leifeld et al., 2003, Dendoncker et al., 2004
Jürg Fuhrer, 29.6.2004
Smith et al. (2000)
0
10
20
30
40
50
60
70
Manure Sludge Straw No-till ExtensificationWoodland
Bioenergy
Land Management Change
Max
imum
C M
itiga
tion
Pote
ntia
l (T
gC
-
0
1
2
3
4
5
6
% O
ffse
t of 1
990
Eur
opea
n C
O2-
C e
mis
sion
s y-1
)
C-Sequestrierung: EU-15 Potenziale
Jürg Fuhrer, 29.6.2004
Gesamtbilanz der Treibhausgase
= CO2 only= with trace gases
0
10
20
30
40
50
60
70
Manure Sludge Straw No-till ExtensificationWoodland
Bioenergy
Land Management Change
Max
imum
C M
itiga
tion
Pote
ntia
l (T
gC
y
0
1
2
3
4
5
6
% O
ffse
t of 1
990
Eur
opea
n C
O2
Em
issi
ons
= CO2-C alone= CO2-C plus N2O and CH4
Smith et al. (2001)
-1)
Jürg Fuhrer, 29.6.2004
A: Stillegung von Ackerflächen (z.B. Umwandlung der Rotations-brachen in Dauerbrachen)
B: Umwandlung von Acker- zu Grünland auf organischen BödenC: Komplette Umstellung auf reduzierte Bodenbearbeitung im Ackerbau
(hauptsächlich Direktsaat)D: Umwandlung der gesamten Ackerfläche in DauergrünlandE: Renaturierung aller kultivierten Moore
Senkenpotential in der Schweiz
Leifeld et al., 2003
Jürg Fuhrer, 29.6.2004
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 309’000 t C (Bereich 213’000-404’000 t).
→ Maximal: 1,1 Mio t CO2 Einsparung, was etwa 27% der Schweizer Kyoto-Verpflichtung entspricht.
Vergleich Europäische Union (EU-15): durch Ausdehnung der pfluglosen Bewirtschaftung auf 30% und reduzierte Bodenbearbeitung auf 40% der Ackerfläche
→ Jährliche Einsparung von ca. 15 Mio t CO2, was etwa 40% der EU Kyoto-Verpflichtung entspricht.
Jürg Fuhrer, 29.6.2004
C-Senkenpotenzial vs. Emission von CH4 + N2O
Leifeld et al., 2003
CO
2Ä
quiv
alen
te (G
g a-
1 )
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000Direktsaat 2000Potenzielle Senke (Renaturierung org. Böden plus Umwandlung Ackerland)CH4 plus N2O Emissionen Landwirtschaft 2000
= 21% von CH4+N2O
Jürg Fuhrer, 29.6.2004
Vergleich von CO2 Äquivalent-Flüssen
-3
-2
-1
0
1 N2O-Emission
CO
2Ä
quiv
alen
t 2
3
4
5e
(Mta
-1)
Senken-PotenzialLandwirt-
schaft
Heutige Verluste
org. BödenCH4- No till
Emission 2000
Wald-Senke
HeutigeVerluste durchUrbanisierung
Leifeld et al., 2003
Jürg Fuhrer, 29.6.2004
Begrenzung des Senkenpotenzials
Maximum Minimum
Potenzial der C-Sequestrierung
BiologischesPotenzial
Ökonomisch begrenztesPotenzial
Biologisch/physikalischbegrenztes Potenzial
(Bodeneignung)
Sozial/politisch begrenztesPotenzial= realistisch erreichbaresPotenzial (~10% des biologischen Potenzials)
Jürg Fuhrer, 29.6.2004
Schätzungen Sequestrierungspotenzial(EU-15 Ackerland)
Untere Grenze
1
C S
eque
strie
rung
spot
enzi
al 2
010
(Tg
a-1 )
-50
0
50
100
150
200Obere Grenze
1 = Vleeshouwers & Verhagen (2002)2 = Smith et al. (1997, 2000)3 = Freibauer et al. (2004)4 = Smith et al. (2004)
2 3 4
Jürg Fuhrer, 29.6.2004
Künftige Entwicklung
Boden C Vorrat bis 30 cm (t C ha-1) – ohne organische Böden
60
70
80
90
10012 23 34 45 56 67 78 89 100
111
122
133
144
155
166
177
188
199
Jahre nach 1900
Bod
en C
Vor
rat (
t C h
a-1 ) SRES climate only
SRES-B2 plus convertgrassland to arable in 2000
Verlust (2001-2100) von 37.7 t C ha-1 im Vergleich zu Verlust von 9.5 t C ha-1 infolge Klimaveränderung (Smith 2004, unpublished)
Jürg Fuhrer, 29.6.2004
Ausblick
• Landwirtschaftliche Senke: - Kleiner als die Waldsenke- Relevant im Vergleich zu CH4 und N2O
• Ausnutzung nur bei erheblichen Veränderungen der landwirtschaftlichen Struktur
• Im internationalen Vergleich ist Potenzial klein: Landwirtschaftliche Struktur, naturräumliche Bedingungen und massvollere Vornutzung wirken limitierend
Jürg Fuhrer, 29.6.2004
Ausblick• Organische Böden aufgrund hoher C-Gehalte und
grosser Gasflüsse besonders relevant
• Historische Kohlenstoffverluste durch Moor-kultivierung, Urbanisierung, Landnutzungs-änderung: Kompensation durch landw. Senken nicht möglich!
• Landwirtschaftlicher Beitrag durch Anbau von Energiepflanzen bedeutungsvoller als C-Senken
Jürg Fuhrer, 29.6.2004
Danke!
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