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Gefördert durch
Auswirkungen von Landnutzung und Klimawandel auf den
Landschaftswasserhaushalt und Stoffflüsse
Wechselwirkungen zwischen Landnutzung und Klimawandel
25./26. Februar 2013 – CC-LandStraD Zwischenkonferenz
Pia Gottschalk, Frank Wechsung - PIK
2CC-LandStraD Zwischenkonferenz / PIK
Analyse von Zielkonflikten zwischen Ökosystemleistungen unter verschiedenen Managementszenarios und Klimawandel• z.B. Biomasseproduktion für Bioenergie ~ Kohlenstoffspeicherung• z.B. Biomasseproduktion für Bioenergie ~
Grundwasserneubildungsraten, Grundwasserqualität
Methode zur Beantwortung solcher Fragen• Öko-hydrologisches Modell: SWIM• Deutschlandweite Anwendung des Modells• Simulation verschiedener Managementszenarien• Simulation verschiedener Klimawandelszenarien
Auswertung der Modellergebnisse• Wie interagieren Management und Klimawandel• Welche Ökosystemleistungen profitieren, welche werden
benachteiligt
Forschungsfragen
DokumentationTagung "Wechselwirkungen zwischen Landnutzung und Klimawandel"
Braunschweig, 25./26. Februar 2013
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3CC-LandStraD Zwischenkonferenz / PIK
• SWIM = Soil and Water Integrated Model• Semi-verteiltes Öko-hydrologisches Modell• Räumliche Auflösung: hydrologisch-homogene Modelleinheit [~ha]• Zeitliche Auflösung: täglich
SWIM
Der räumliche Modellierungsansatz
4CC-LandStraD Zwischenkonferenz / PIK
Temperatur(min, max, mit.)
Rel. Luftfeuchte
Strahlung
Niederschlag
Hydrologische Modellprozesse
Boden-schichten
Gewässer-abfluss
Zwischen-abfluss
Oberflächen-abfluss
KapillarerBodenwasseraufstieg
Versickerung≈ Grundwasserneubildung
Versickerung
Evapotranspiration
Flacher Grundwasserleiter
Tiefer Grundwasserleiter
DokumentationTagung "Wechselwirkungen zwischen Landnutzung und Klimawandel"
Braunschweig, 25./26. Februar 2013
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5CC-LandStraD Zwischenkonferenz / PIK
Ökologische Modellprozesse
• 15 Landnutzungstypen o Landwirtschaft, Grünland, Wald/Forst, Wasser,
Siedlungsflächen …• Pflanzenarten (ca. 76 Standartparameterisierungen)
o verschiedene landwirtschaftliche Kulturen, Zwischenfrüchte, Waldtypen, Grünland-Management
• Blattflächenindex- & (ober- & unterirdische) -Biomasseentwicklung o Temperatursummen-Ansatz
o Lichtnutzungseffizienz (Umwandlung von photosynthetisch aktiver Strahlung → Biomasse)
• Erträge (Ernteindex)
6CC-LandStraD Zwischenkonferenz / PIK
Kohlenstoff- und Stickstoffprozesse des Modells
Kohlenstoffassimilation (Photosynthese)Bodenatmung
Kohlenstoff- & Stickstoffabbau (Abbauprozess erster Ordnung)
NO3- Auswaschung
Standort: Gebesee
N- Nitrifikation &Denitrifikation
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Braunschweig, 25./26. Februar 2013
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7CC-LandStraD Zwischenkonferenz / PIK
Beispiel-Eingangsdatensatz für die Altmark
8CC-LandStraD Zwischenkonferenz / PIK
CORINE Landnutzungskarte
Modell Eingangsdaten (Beispiel Altmark)
Landnutzungskarte + Bodenkarte + Teileinzugsgebietskarte + Höhenmodel = Hydrotopkarte
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Braunschweig, 25./26. Februar 2013
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9CC-LandStraD Zwischenkonferenz / PIK
CORINE Landnutzungskarte
Modell Eingangsdaten (Beispiel Altmark)
Landnutzungskarte + Bodenkarte + Teileinzugsgebietskarte + Höhenmodel = Hydrotopkarte
BÜK 1000 Bodenkarte
10CC-LandStraD Zwischenkonferenz / PIK
CORINE Landnutzungskarte
Modell Eingangsdaten (Beispiel Altmark)
Landnutzungskarte + Bodenkarte + Teileinzugsgebietskarte + Höhenmodel = Hydrotopkarte
BÜK 1000 BodenkarteTeileinzugsgebietskarte
DokumentationTagung "Wechselwirkungen zwischen Landnutzung und Klimawandel"
Braunschweig, 25./26. Februar 2013
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11CC-LandStraD Zwischenkonferenz / PIK
CORINE Landnutzungskarte
Modell Eingangsdaten (Beispiel Altmark)
Landnutzungskarte + Bodenkarte + Teileinzugsgebietskarte + Höhenmodel = Hydrotopkarte
BÜK 1000 BodenkarteTeileinzugsgebietskarteHöhenmodell
12CC-LandStraD Zwischenkonferenz / PIK
CORINE Landnutzungskarte
Modell Eingangsdaten (Beispiel Altmark)
Landnutzungskarte + Bodenkarte + Teileinzugsgebietskarte + Höhenmodel = Hydrotopkarte
BÜK 1000 BodenkarteTeileinzugsgebietskarteHöhenmodellHydrotopkarte
DokumentationTagung "Wechselwirkungen zwischen Landnutzung und Klimawandel"
Braunschweig, 25./26. Februar 2013
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13CC-LandStraD Zwischenkonferenz / PIK
CORINE Landnutzungskarte
Modell Eingangsdaten (Beispiel Altmark)
Landnutzungskarte + Bodenkarte + Teileinzugsgebietskarte + Höhenmodel = Hydrotopkarte
BÜK 1000 BodenkarteTeileinzugsgebietskarteHöhenmodellHydrotopkarte
Klimastationen desDWD
14CC-LandStraD Zwischenkonferenz / PIK
Modellhafte Abbildung der Vielfalt landwirtschaftlicher
Kulturen durch Generierung von Fruchtfolgen
DokumentationTagung "Wechselwirkungen zwischen Landnutzung und Klimawandel"
Braunschweig, 25./26. Februar 2013
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15CC-LandStraD Zwischenkonferenz / PIK
• „Sequenz“ ≈ zeitliche Abfolge der landw. Kulturen
• „Rotation“ ≈ räumliche Verteilung der landwirtschaftlicher Kulturen
• Feld-spezifische Fruchtfolgen unbekannt• Räumliche Verteilung bekannt (jährliche landw. Statistiken)• Anwendung eines Optimisierungs-Algorithmus um räumliche
Informationen so über der Zeit zu verteilen, dass gemittelt die räumliche Verteilung getroffen wird
• Grundannahme: unter gegebenen stabilen Rotationen & alle Felder folgen der gleichen Fruchtfolge → Anteil einer Fruchtart im Raum ist gleich ihres Anteils in der Zeit
Fruchtfolgen-Generierung in der Fläche
16CC-LandStraD Zwischenkonferenz / PIK
Mögliche räumliche Verteilung der Ackerfrüchte2000 – 2004 in der Altmark (Modellgenerierung)
keine landw. FlächeKartoffelnSommergersteSilagemaisWintergerste
WinterroggenWinterweizenLuzerneZwischenfruchtZuckerrübeWinterraps
2000
2001
20022003
2004
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Braunschweig, 25./26. Februar 2013
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17CC-LandStraD Zwischenkonferenz / PIK
Modellevaluierung
18CC-LandStraD Zwischenkonferenz / PIK
Netto-Ökosystem Austausch (NEE) [g C m -2]
Beobachtete Daten zur Verfügung gestellt von Dr. W.L. Kutsch
(Thünen-Institut Braunschweig)
C Verluste
C Gewinne
• NEE als Proxy für Biomasseentwicklung• Die zeitliche Biomasseentwicklung wird vom Model gut abgebildet• Model überschätzt z.T. das Biomassewachstum
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Braunschweig, 25./26. Februar 2013
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19CC-LandStraD Zwischenkonferenz / PIK
Aktuelle Evapotranspiration
Beobachtete Daten zur Verfügung gestellt von Dr. W.L. Kutsch
(Thünen-Institut Braunschweig)
• Gute Übereinstimmnung zwischen Modell und Daten• Diese Komponente des Wasserhaushaltes wird gut abgebildet
20CC-LandStraD Zwischenkonferenz / PIK
• Erträge sind Schlüsselgröße für Wasser- und Stoffhaushalt in der Landschaft.
• Sie dienen als Proxy für die Biomasseentwicklung, wobei die Biomasse die Verbindung zwischen Wasserhaushalt und Kohlenstoffhaushalt über die Stomata (Photosynthese/Transpiration) ist.
• Weiterhin dienen sie als Proxy für die Rückführung von organischem Material (Kohlenstoff und Stickstoff) in den Boden, was für die Berechnung der Kohlenstoffsequestrierung und des Stickstoffhaushalt ausschlaggebend ist.
Ertragsevaluierung
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Braunschweig, 25./26. Februar 2013
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21CC-LandStraD Zwischenkonferenz / PIK
Winterweizen-Erträge in der Altmark 1991 - 2006
30
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45
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60
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70
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1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006
dt/ha
Jahr
beobachtet
simuliert
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dt/ha
Jahr
beobachtet
simuliert
Landkreis Stendal
Altmarkkreis Salzwedel
22CC-LandStraD Zwischenkonferenz / PIK
Winterweizen-Erträge im Elbeeinzugsgebiet 2003
beobachtet simuliert
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Braunschweig, 25./26. Februar 2013
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23CC-LandStraD Zwischenkonferenz / PIK
Wie wirkt sich verstärkter Biomasseanbau in Form von
Silagemais auf die Grundwasserneubildungsrate
unter +2°C (2060) aus ?(Beispiel Altmark)
24CC-LandStraD Zwischenkonferenz / PIK
Grundwasserneubildungsraten unter landwirtschaftlichen Flächen 2025-2030(Zwischenergebnisse)
• Differenz zu 1960-1990 unterkontinuierlicher Fruchtfolgengenerierung
→ überwiegend negativer Trend
• Differenz zu 1960-1990• Modellannahme: Silagemais ab 2013
flächendeckend→ stärker negativer Trend als unter
Fruchtfolgen
DokumentationTagung "Wechselwirkungen zwischen Landnutzung und Klimawandel"
Braunschweig, 25./26. Februar 2013
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25CC-LandStraD Zwischenkonferenz / PIK
Prozentuale Veränderung von landwirtschaftlichen Erträgen von 2025-2030gegenüber der Referenzperiode 1960-1990unter +2°C (2060) (Zwischenergebnisse)
Stendal Salzwedel
Winterroggen(Fruchtfolgen)
-4% -5.7%
Silagemais(Fruchtfolge)
-7% -15%
Winterweizen (Fruchtfolge)
+4.7 -2.8
Jährliche Niederschlagssumme
-1.6% -3.3%
26CC-LandStraD Zwischenkonferenz / PIK
• Das öko-hydrologische Modell SWIM ist geeigneto Ökosystemleistungen abzubilden
o Klima- mit Managementszenarien zu integrieren
• Die Zwischenergebnisse für die Altmark zeigten, dasso die Grundwasserneubildungsraten unter dem +2°C2060-Szenario
(2025/30) gegenüber 1960-1990 abnehmen ,
o die Grundwasserneubildungsraten unter verstärktem Biomasseanbau gegenüber Fruchtfolgen unter dem +2°C2060-Szenario (2025/30) nochmals geringer sind,
o die Kombination aus +2°C2060-Szenario und Managementszenario negative Folgen für die Grundwasserneubildung zeigt,
o negative Trends bei landwirtschaftliche Erträgen unter dem +2°C2060-Szenario (2025/30) gegenüber 1960-1990 zu erwarten sind.
• Fortführung der Modellevaluierung!• Weitere Maßnahmenanalysen folgen
Vorl äufige Schlussfolgerungen und Ausblick
DokumentationTagung "Wechselwirkungen zwischen Landnutzung und Klimawandel"
Braunschweig, 25./26. Februar 2013
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