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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
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Jürg Fuhrer, 29.6.2004
Inhalt
• Kohlenstoff in Agrarökosystemen• C-Sequestrierung• Das Potenzial von Massnahmen• Treibhausgasbilanz• Ausblick
![Page 3: Kohlenstoff-Senken und -Quellen landwirtschaftlicher Flächen und … · 2004-07-11 · Jürg Fuhrer, 29.6.2004 Böden als CO 2-Quellen und -Senken • Landwirtschaftsböden in Europa](https://reader033.vdokument.com/reader033/viewer/2022052802/5f1c0a4dd6629c435f6683a6/html5/thumbnails/3.jpg)
Jürg Fuhrer, 29.6.2004
Landnutzung in Europa
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Jürg Fuhrer, 29.6.2004
Jährlicher Boden C-Fluss
(t C ha-1 a-1)
Senk
e →
←Q
uelle
![Page 5: Kohlenstoff-Senken und -Quellen landwirtschaftlicher Flächen und … · 2004-07-11 · Jürg Fuhrer, 29.6.2004 Böden als CO 2-Quellen und -Senken • Landwirtschaftsböden in Europa](https://reader033.vdokument.com/reader033/viewer/2022052802/5f1c0a4dd6629c435f6683a6/html5/thumbnails/5.jpg)
Jürg Fuhrer, 29.6.2004
Verteilung der Boden C-Flüsse (Simulation)
Vlee
shou
wer
s&
Verh
agen
, 200
2
Ackerland Grasland
Quelle Senke
(t C ha-1 a-1)
![Page 6: Kohlenstoff-Senken und -Quellen landwirtschaftlicher Flächen und … · 2004-07-11 · Jürg Fuhrer, 29.6.2004 Böden als CO 2-Quellen und -Senken • Landwirtschaftsböden in Europa](https://reader033.vdokument.com/reader033/viewer/2022052802/5f1c0a4dd6629c435f6683a6/html5/thumbnails/6.jpg)
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
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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
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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
![Page 9: Kohlenstoff-Senken und -Quellen landwirtschaftlicher Flächen und … · 2004-07-11 · Jürg Fuhrer, 29.6.2004 Böden als CO 2-Quellen und -Senken • Landwirtschaftsböden in Europa](https://reader033.vdokument.com/reader033/viewer/2022052802/5f1c0a4dd6629c435f6683a6/html5/thumbnails/9.jpg)
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).
![Page 10: Kohlenstoff-Senken und -Quellen landwirtschaftlicher Flächen und … · 2004-07-11 · Jürg Fuhrer, 29.6.2004 Böden als CO 2-Quellen und -Senken • Landwirtschaftsböden in Europa](https://reader033.vdokument.com/reader033/viewer/2022052802/5f1c0a4dd6629c435f6683a6/html5/thumbnails/10.jpg)
Jürg Fuhrer, 29.6.2004
Steuerungsgrössen für Boden C
Boden C
AbiotischTemperaturFeuchtigkeitDurchlüftung
BewirtschaftungBodenbearbeitungDüngungErnterückständeOrganische Zugaben
BodeneigenschaftenTexturTonmineralogieBodentiefepH
![Page 11: Kohlenstoff-Senken und -Quellen landwirtschaftlicher Flächen und … · 2004-07-11 · Jürg Fuhrer, 29.6.2004 Böden als CO 2-Quellen und -Senken • Landwirtschaftsböden in Europa](https://reader033.vdokument.com/reader033/viewer/2022052802/5f1c0a4dd6629c435f6683a6/html5/thumbnails/11.jpg)
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
![Page 12: Kohlenstoff-Senken und -Quellen landwirtschaftlicher Flächen und … · 2004-07-11 · Jürg Fuhrer, 29.6.2004 Böden als CO 2-Quellen und -Senken • Landwirtschaftsböden in Europa](https://reader033.vdokument.com/reader033/viewer/2022052802/5f1c0a4dd6629c435f6683a6/html5/thumbnails/12.jpg)
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(%
)
![Page 13: Kohlenstoff-Senken und -Quellen landwirtschaftlicher Flächen und … · 2004-07-11 · Jürg Fuhrer, 29.6.2004 Böden als CO 2-Quellen und -Senken • Landwirtschaftsböden in Europa](https://reader033.vdokument.com/reader033/viewer/2022052802/5f1c0a4dd6629c435f6683a6/html5/thumbnails/13.jpg)
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
![Page 14: Kohlenstoff-Senken und -Quellen landwirtschaftlicher Flächen und … · 2004-07-11 · Jürg Fuhrer, 29.6.2004 Böden als CO 2-Quellen und -Senken • Landwirtschaftsböden in Europa](https://reader033.vdokument.com/reader033/viewer/2022052802/5f1c0a4dd6629c435f6683a6/html5/thumbnails/14.jpg)
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
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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
![Page 16: Kohlenstoff-Senken und -Quellen landwirtschaftlicher Flächen und … · 2004-07-11 · Jürg Fuhrer, 29.6.2004 Böden als CO 2-Quellen und -Senken • Landwirtschaftsböden in Europa](https://reader033.vdokument.com/reader033/viewer/2022052802/5f1c0a4dd6629c435f6683a6/html5/thumbnails/16.jpg)
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
![Page 17: Kohlenstoff-Senken und -Quellen landwirtschaftlicher Flächen und … · 2004-07-11 · Jürg Fuhrer, 29.6.2004 Böden als CO 2-Quellen und -Senken • Landwirtschaftsböden in Europa](https://reader033.vdokument.com/reader033/viewer/2022052802/5f1c0a4dd6629c435f6683a6/html5/thumbnails/17.jpg)
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
![Page 18: Kohlenstoff-Senken und -Quellen landwirtschaftlicher Flächen und … · 2004-07-11 · Jürg Fuhrer, 29.6.2004 Böden als CO 2-Quellen und -Senken • Landwirtschaftsböden in Europa](https://reader033.vdokument.com/reader033/viewer/2022052802/5f1c0a4dd6629c435f6683a6/html5/thumbnails/18.jpg)
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
![Page 19: Kohlenstoff-Senken und -Quellen landwirtschaftlicher Flächen und … · 2004-07-11 · Jürg Fuhrer, 29.6.2004 Böden als CO 2-Quellen und -Senken • Landwirtschaftsböden in Europa](https://reader033.vdokument.com/reader033/viewer/2022052802/5f1c0a4dd6629c435f6683a6/html5/thumbnails/19.jpg)
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
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Jürg Fuhrer, 29.6.2004
FAL „Kyoto-Wiese“ 2002-?
Extensiv Intensiv
![Page 21: Kohlenstoff-Senken und -Quellen landwirtschaftlicher Flächen und … · 2004-07-11 · Jürg Fuhrer, 29.6.2004 Böden als CO 2-Quellen und -Senken • Landwirtschaftsböden in Europa](https://reader033.vdokument.com/reader033/viewer/2022052802/5f1c0a4dd6629c435f6683a6/html5/thumbnails/21.jpg)
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.
![Page 22: Kohlenstoff-Senken und -Quellen landwirtschaftlicher Flächen und … · 2004-07-11 · Jürg Fuhrer, 29.6.2004 Böden als CO 2-Quellen und -Senken • Landwirtschaftsböden in Europa](https://reader033.vdokument.com/reader033/viewer/2022052802/5f1c0a4dd6629c435f6683a6/html5/thumbnails/22.jpg)
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
![Page 23: Kohlenstoff-Senken und -Quellen landwirtschaftlicher Flächen und … · 2004-07-11 · Jürg Fuhrer, 29.6.2004 Böden als CO 2-Quellen und -Senken • Landwirtschaftsböden in Europa](https://reader033.vdokument.com/reader033/viewer/2022052802/5f1c0a4dd6629c435f6683a6/html5/thumbnails/23.jpg)
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.
![Page 24: Kohlenstoff-Senken und -Quellen landwirtschaftlicher Flächen und … · 2004-07-11 · Jürg Fuhrer, 29.6.2004 Böden als CO 2-Quellen und -Senken • Landwirtschaftsböden in Europa](https://reader033.vdokument.com/reader033/viewer/2022052802/5f1c0a4dd6629c435f6683a6/html5/thumbnails/24.jpg)
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
![Page 25: Kohlenstoff-Senken und -Quellen landwirtschaftlicher Flächen und … · 2004-07-11 · Jürg Fuhrer, 29.6.2004 Böden als CO 2-Quellen und -Senken • Landwirtschaftsböden in Europa](https://reader033.vdokument.com/reader033/viewer/2022052802/5f1c0a4dd6629c435f6683a6/html5/thumbnails/25.jpg)
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
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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
![Page 27: Kohlenstoff-Senken und -Quellen landwirtschaftlicher Flächen und … · 2004-07-11 · Jürg Fuhrer, 29.6.2004 Böden als CO 2-Quellen und -Senken • Landwirtschaftsböden in Europa](https://reader033.vdokument.com/reader033/viewer/2022052802/5f1c0a4dd6629c435f6683a6/html5/thumbnails/27.jpg)
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)
![Page 28: Kohlenstoff-Senken und -Quellen landwirtschaftlicher Flächen und … · 2004-07-11 · Jürg Fuhrer, 29.6.2004 Böden als CO 2-Quellen und -Senken • Landwirtschaftsböden in Europa](https://reader033.vdokument.com/reader033/viewer/2022052802/5f1c0a4dd6629c435f6683a6/html5/thumbnails/28.jpg)
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
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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.
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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
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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
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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)
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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
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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)
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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
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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
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Danke!