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Treibhausgase in der Landwirtschaft – eine Einführung Dr. Jens Leifeld AGROSCOPE FAL Reckenholz Eidgenössische Forschungsanstalt für Agarökologie und Landbau.

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1 Treibhausgase in der Landwirtschaft – eine Einführung Dr. Jens Leifeld AGROSCOPE FAL Reckenholz Eidgenössische Forschungsanstalt für Agarökologie und Landbau

2 1. Grundlagen Global Change, Globale Treibhausgasflüsse, Wirkungsweise Treibhausgase, Global Warming Potentials, Klimakonvention, Kyoto-Protokoll, Senkenanrechung 2. Entstehung von Treibhausgasen in der Landwirtschaft Redoxchemie, Entstehung und Verbrauch von N 2 O und CH 4 ; Corg-Gehalte landwirtschaftlicher Böden/Sequestrierung 3. Treibhausgasbilanzen Landwirtschaft Treibhausgasbilanzen gem. IPCC, Zeitliche Entwicklung der THG-Emissionen Schweiz, Reduktionsstrategien- und Potenziale

3 Global Change – Rekapitulation: Parallelität atmosphärische CO 2 -Konzentration und Temperaturschwankung Anstieg der atm. Konzentration der Treibhausgase CO 2, N 2 O, CH 4 Menschlicher Einfluss auf die Zusammensetzung der Erdatmosphäre: Heutige atmosphärische CO 2 -Konzentration höher als in den letzten a. Anomalien der Oberflächentemperatur nördl. Hemisphäre in den letzten 1000 Jahren Ein signifikanter Anteil des Anstiegs der Treibhausgaskonzentration in der Atmosphäre ist anthropogen Es gibt einen signifikanten, anthropogen verursachten Anstieg der Temperatur

4 Average annual budget of CO 2 for 1980 to 1989 and for 1989 to 1998 (in Gt C a -1 ) ( 90% confidence interval) ; IPCC (2000) Grundlagen I. Quellen und Senken CO 2 -Budget Global

5 Mt CH 4 /year Natural sources Wetlands115 Termites20 Ocean10 Hydrates5 Sum Natural150 Antropogenic sources Energy75 Landfills40 Ruminants80 Rice agriculture100 Biomass Burning55 Sum Anthropogenic350 Total Source500 Sinks Soils10 Trophosperic OH450 Total sink460 Imbalance40 Grundlagen I. Quellen und Senken Methan (IPCC 2001)

6 Mt N/year Natural Sources Ocean3.0 NH 3 -oxidation Atmosphere0.6 Tropical Soils Wet Forest3.0 Dry Savannas1.0 Temperate Soils Forests1.0 Grasslands1.0 Sum Natural9.6 Anthropogenic Sources Agricultural Soils4.2 Biomass Burning0.5 Industrial Sources1.3 Cattle and Feedlots2.1 Sum Anthropogenic8.1 Total Sources17.7 (implied: 16.2) Stratospheric Sink (Photodissociation) 12.3 Imbalance3.9 Grundlagen I. Quellen und Senken Lachgas (IPCC 2001)

7 Sink Source Grundlagen I. Globale Quellen und Senken in CO 2 -Äquivalenten (Gt CO 2 a -1 )

8 Grundlagen II. Wirkungsweise Treibhausgase Strahlungsbilanz der Erde (W m -2 ) Incoming radiation Back radiation Surface radiation Latent Heat (ET) Sensible heat Outgoing longwave Reflected solar radiation Absorption by surface Absorption by atmosphere GHG 342 – 107 = 235; = = 168; = 235 atmosphere surface

9 Grundlagen II. Wirkungsweise Treibhausgase Radiative Forcing und Global Warming Potenials GWP Radiative Forcing: Change in net (down minus up) irradiance at the tropopause Für CO 2 :RF = 5.35*ln(C/C 0 ) [W m -2 ] RF = 5.35*ln(365/278) = 1.46 = W m -2 ppmv -1 Radiative forcing ies (W m -2 ) Percentage increase relative to incoming radiation CO CH N2O Halocarbons Sum

10 Grundlagen II. Wirkungsweise Treibhausgase GWP und mittlere Verweildauer der Kyoto-Treibhausgase Global Warming Potential: A measure of the relative radiative effect of a given substance compared to another, integrated over a chosen time horizon. Ein relatives Mass für die Treibhauswirksamkeit von 1 kg einer Substanz relativ zu 1 kg CO 2. THtime horizon; a x radiative efficiency due to one unit increase in atmospheric abundance (W m -2 kg -1 ); arradiative efficiency of CO 2 x(t)time-dependent decay of the substance r(t)time-dependent decay of the reference CO 2

11 Grundlagen II. Wirkungsweise Treibhausgase GWP und mittlere Verweildauer der Kyoto-Treibhausgase GasGWP 100- Jahreshorizont Mittlere Verweildauer in der Atmosphäre (Jahre) CO CH N2ON2O Hydrofluorocarbons (HFC) Perfluorocarbons (PFC) Sulphur hexafluoride (SF 6 ) CO 2 -Äquivalente: z.B. 1 kg CH4 entspricht 23 kg CO2-Äquivalenten für einen 100-jahres Zeitraum

12 United Nations Framework Convention on Climate Change UNFCCC ( ) 1992 Acknowledging that change in the Earth's climate and its adverse effects are a common concern of humankind, … Determined to protect the climate system..., Have agreed as follows:... to achieve... stabilization of greenhouse gas concentrations in the atmosphere at a level that would prevent dangerous anthropogenic interference with the climate system. Such a level should be achieved within a time-frame sufficient to allow ecosystems to adapt naturally to climate change,... Grundlagen III. UNFCCC

13 Kyoto-Protokoll, 1997 (I) 1. Each Party in achieving its quantified emission limitation and reduction commitments under Article 3, in order to promote sustainable development, shall implement and/or further elaborate policies and measures in accordance with its national circumstances, such as: (i) Enhancement of energy efficiency in relevant sectors of the national economy; (ii) Protection and enhancement of sinks and reservoirs of greenhouse gases not controlled by the Montreal Protocol, taking into account its commitments under relevant international environmental agreements; promotion of sustainable forest management practices, afforestation and reforestation; (iii) Promotion of sustainable forms of agriculture in light of climate change considerations; (iv) Research on, and promotion, development and increased use of, new and renewable forms of energy, of carbon dioxide sequestration technologies and of advanced and innovative environmentally sound technologies; … Grundlagen III. Kyoto-Protokoll

14 Kyoto-Protokoll, 1997 (II): Instrumente Sinks and Reservoirs Article 3.3: The net changes in greenhouse gas emissions by sources and removals by sinks resulting from direct human-induced land-use change and forestry activities, limited to afforestation, reforestation and deforestation since 1990, measured as verifiable changes in carbon stocks in each commitment period, shall be used to meet the commitments under this Article of each Party included in Annex I. Article 3.4: … each Party included in Annex I shall provide... data to establish its level of carbon stocks in 1990 and to enable an estimate to be made of its changes in carbon stocks in subsequent years. The Conference of the Parties... shall decide upon modalities, rules and guidelines as to how, and which, additional human- induced activities related to changes in greenhouse gas emissions by sources and removals by sinks in the agricultural soils and the land-use change and forestry categories shall be added to, or subtracted from, the assigned amounts for Parties included in Annex I Grundlagen III. Kyoto-Protokoll

15 Nachfolgekonferenzen Bonn und Marrakesh Forest management, cropland management, grazing land management, and revegetation area are eligible land-use, land-use change and forestry activities under 3.4 of the Kyoto Protocol. A Party have to demonstrate, that such activities have occurred since 1990 and are human-induced. Accounting excludes removals resulting from elevated CO 2, indirect N deposition, dynamic effects of age structure. Grundlagen III. Kyoto-Protokoll

16 Stichwörter Joint Implementation: Klimaschutzprojekte zwischen Industrieländern (Annex I Staaten) mit Emissionsgutschriften. Senkenprojekte: Land- und Forstwirtschaft. Forstwirtschaft Art. 3.4: max Mt CO 2 (=CAP für CH) Clean Development Mechanism: Klimschutzprojekte zwischen Annex- I – und Entwicklungsländern. Senkenprojekte: Nur Aufforstung und Wiederaufforstung bis jährlich max. 1% der nationalen Emissionen 1990 Emission Trading: Handelspartner für Emissionszertifikate: Alle Annex-I Länder Net Net accounting: Änderung der Nettobilanz gegenüber 1990: Gilt nur für landw. Aktivitäten, nicht für Waldbewirtschaftung Verification: IPCC Good Practice Guidance LULUCF; Stichwörter: independent assessments, direct measurement, modelling, remote sensing Grundlagen III. Kyoto-Protokoll Flexible Mechanismen

17 Verpflichtungen der Schweiz Mit der Ratifizierung des Kyoto-Protokolls verpflichtet sich die Schweiz, für die erste Verpflichtungsperiode zur Reduktion der Treibhausgasemissionen um 8% relativ zu 1990 (base year): Bruttoemissionen 1990: 53 Mt CO 2 equiv. 4.3 Mt CO 2 equiv.pro Jahr Vermeidungsverpflichtung CO 2 -Gesetz: Verringerung der fossilen CO 2 -Emissionen um 10% in 2010 relativ zu Grundlagen III. Kyoto-Verpflichtung Schweiz

18 Zusammenfassung Grundlagen Anstieg GHG Konzentration Atmosphäre seit Industrialisierung Statistischer Zusammenhang Anstieg GHG und Temperatur Kausaler Zusammenhang Anstieg GHG und Temperatur wahrscheinlich Physikalische Wirkung GHG Strahlungsbilanz Normierung auf GWP (Einheitswährung) Völkerrechtliche Verpflichtung zur Verminderung Treibhausgasemissionen CO 2 -Quellen Global: Anteil Landnutzungsänderung/Landwirtschaft= 21% CH 4 -Quellen Global: Anteil Landnutzungsänderung/Landwirtschaft= 67% N 2 O-Quellen Global: Anteil Landnutzungsänderung/Landwirtschaft= 84% (bezogen jeweils auf die anthropogenen Quellen)

19 1. Grundlagen Global Change, Globale Treibhausgasflüsse, Wirkungsweise Treibhausgase, Global Warming Potentials, Klimakonvention, Kyoto-Protokoll, Senkenanrechung 2. Entstehung von Treibhausgasen in der Landwirtschaft Redoxchemie, Entstehung und Verbrauch von N 2 O und CH 4 ; Corg-Gehalte landwirtschaftlicher Böden/Sequestrierung 3. Treibhausgasbilanzen Landwirtschaft Treibhausgasbilanzen gem. IPCC, Zeitliche Entwicklung der THG-Emissionen Schweiz, Reduktionsstrategien- und Potenziale

20 Treibhausgase und Landwirtschaft I. Treibhausgase als Produkte von Redoxreaktionen Aox + Bred Ared + BoxAllgemeine Reaktionsgleichung O 2 + (CH 2 O) H 2 O + CO 2 Beispiel Oxidation org. Substanz 0 0,+I,-II +I,-II +IV,-II Redoxpotential E: Elektrochemische Arbeitsfähigkeit eines Elektrons (V) Redoxpotential der Gesamtreaktion = Summe der Einzelpotentiale Beispiel: Oxidationshalbreaktion: CH 2 O+H 2 O CO 2 +4e-+4H+;E = +0.42V Reduktionshalbreaktion: O 2 +4e-+4H+ 2H 2 O; E = V Redoxpotential Gesamtreaktion = V V = V

21 Redoxpotential Gesamtreaktion = = V Änderung der freien Energie: G = -nFE 0 ´ [J] n = Anzahl Elektronen; F = Faraday-Konstante (9.68*10^4J/mol/V); E 0 ´ = Redoxpotential bei pH7 (V) Das bedeutet für die Oxidation organischer Substanz im Boden mit O 2 als Oxidationsmittel: O 2 + (CH 2 O) H 2 O + CO 2 G = -4*9.68*10^4*1.24 = -480 kJ/mol Das Redoxpotential einer Reaktion ist direkt proportional zur Änderung in der freien Energie G Treibhausgase und Landwirtschaft I. Treibhausgase als Produkte von Redoxreaktionen

22 Oxidation organischer Substanz (CH 2 O) mit unterschiedlichen Elektronenakzeptoren: OxidationsmittelRedoxpotential Gesamtreaktion (V) G (kJ/mol Kohlenstoff) Oxidations mittel (mol) O 2 H 2 O NO 3 - N MnO 2 Mn(II) Fe(OH 3 ) Fe(II) SO 4 2- H 2 S Die Nutzung alternativer Elektronenakzeptoren verringert die energetische Effizienz der C-Oxidation Treibhausgase und Landwirtschaft I. Treibhausgase als Produkte von Redoxreaktionen Anaerobe Atmung Aerobe Atmung Redoxreihe

23 Mineral Fertilizer Fixation Deposition NH 4 NO 3 Plant residues Mineralisation Ion exchange Manure Organic N NO 3 leaching NH 3 emission 2NO 3 - 2NO 2 - 2NO N 2 O N 2 Denitrification +V +III +II +I 0 Plant uptake Nitrification NH 4 + (N 2 O) NO 2 - NO 3 - -III +I +III +V N- emissions Treibhausgase und Landwirtschaft II. Lachgas

24 2NO CH 2 O + 2H + N 2 O + 2CO 2 + 3H 2 O | 1.04 V; Halbreaktion: V O 2 + CH 2 O H 2 O + CO 2 | 1.24 V; Halbreaktion: V Die Denitrifizierung im Boden ist an niedrigere Redoxpotentiale gekoppelt und geschieht bevorzugt bei O 2 -Defizit Treibhausgase und Landwirtschaft II. Lachgas O 2 -Konzentration (%) 0% 1% 5% 10% 15% 21% 22% Durchmesser: 12 mm Bereiche unterschiedlicher O 2 -Konzentration treten gleichzeitig im Boden auf; Wassergehaltsabhängig! (Sexstone et al., 1985)

25 Treibhausgase und Landwirtschaft II. Sind solche O2-Gradienten im Aggregatinneren typisch oder untypisch? (Angaben u.a. aus: Hillel 1998; Fenchel 1998) O 2 Konzentrationsdifferenz C Aggregatoberfläche – Aggregatinneres: C=S*R^2/6D, mit C=Konzentrationsunterschied Oberfläche – Zentrum; R=Aggregatdurchmesser, S=O 2 Verbrauchsrate, D=Diffusionskoeffizient O 2 in Wasser Für C = O 2 -Konz. bei Sättigung = Kh (O 2 ) * pO 2 (=0.21) ergibt sich durch Umstellen nach R: R = [ C *6D/S]^0.5 = Aggregatdurchmesser, bei dem für eine definierte O 2 - Verbrauchsrate S im Aggregat pO 2 = 0 wird. S = 32 – 160 (Bodenproben) bzw (Grasabbau aerob) [nmol O 2 /ml/h]

26 Treibhausgase und Landwirtschaft II. Sind solche O2-Gradienten im Aggregatinneren typisch oder untypisch? (Angaben u.a. aus: Hillel 1998; Fenchel 1998) S = 32 – 160 (Bodenproben) bzw (Grasabbau aerob) [nmol O 2 /ml/h]

27 Treibhausgase und Landwirtschaft III. Methan Eh = -200 bis +100 mV Eh = < -200 mV Eh = > +100 mV Methanogenesis Organic matter input SO 4 2- NO 3 -, Fe 3+, Mn 4+ Water table Methanotrophs Methane emission Methane- oxidation Methanogens depth

28 Eh = -200 bis +100 mV Eh = < -200 mV Eh = > +100 mV Two pathways of methane formation: 1) CO 2 + 4H 2 CH 4 + 2H 2 O 2a) Fermentation org. matter acetate, H 2, CO 2, ethanol, 2b) CH 3 COO - + H + CH 4 + CO 2 Methanogenes Methanotrophes Treibhausgase und Landwirtschaft III. Methan CH 4 + 2O 2 CO 2 + 2H 2 O

29 Treibhausgase und Landwirtschaft IV. Boden-C Pools 1. Input Landnutzung Management Ertrag Düngung 2. Turnover Management (Bodenbedeckung, Bodenbelüftung) Streuqualität Abiotische Faktoren Bodenbiologie Soil-C = Input * Turnover time (steady-state) Plant biomass Zwei Stellschrauben:

30 Zusammenfassung Treibhausgase und Landwirtschaft 1.Treibhausgase als Produkte von Redoxreaktionen: aerobe Bereiche begünstigen oxidierte Species anaerobe Bereiche begünstigen reduzierte Species: Denitrifikation, Methanbildung, Torfakkumulation 2. Kohlenstoffakkumulation/Kohlenstoffverlust im Boden: Produkt von Inputmenge und Turnoverzeit; Akkumulation ist reversibel

31 1. Grundlagen Global Change, Globale Treibhausgasflüsse, Wirkungsweise Treibhausgase, Global Warming Potentials, Klimakonvention, Kyoto-Protokoll, Senkenanrechung 2. Entstehung von Treibhausgasen in der Landwirtschaft Redoxchemie, Entstehung und Verbrauch von N 2 O und CH 4 ; Corg-Gehalte landwirtschaftlicher Böden/Sequestrierung 3. Treibhausgasbilanzen Landwirtschaft Treibhausgasbilanzen gem. IPCC, Zeitliche Entwicklung der THG-Emissionen Schweiz, Reduktionsstrategien- und Potenziale

32 Treibhausgasbilanzen Landwirtschaft Methodischer Ansatz IPCC Tier 1: Only IPCC default values are used Tier 2: Country-specific modification of default emission factors and activity data = higher resolution and certainty Tier 3: Country-specific modification plus dynamic modelling and/or inventory measurement systems = highest certainty Increase in complexity Grundlage jedes Emissionsinventars: Emission = Aktivität * Emissionsfaktor Aktivität: z.B. Menge N-Dünger pro Fläche und Jahr; Tierzahl Emissionsfaktor: z.B. Anteil N 2 O-Emission pro Einheit Dünger-N

33 Treibhausgasbilanzen Landwirtschaft Methodischer Ansatz IPCC: Bodenkohlenstofffaktoren Base factor * Default C stock native * Tillage factor * Input factors

34 Treibhausgasbilanzen C-Sequestrierungsraten

35 Treibhausgasbilanzen N 2 O-Emissionen Landwirtschaft n. IPCC

36 Treibhausgasbilanzen N 2 O-Emissionsfaktoren (IPCC, 2000) Beispiele Emissionsfaktoren N 2 O (% der Aktivität) 1 Weidegang2.0 Güllelagerung0.1 Mistlagerung2.0 Mineral-N1.25 Ernterückstände Ackerbau und Grünland 1.25 N-Fixierung Ackerbau Mittelwerte Beispiel Aktivität Milchkuh: Weidegang Gülle Stall Mist Stall 106 kg N a kg N 69 kg N 7.3 kg N

37 Treibhausgasbilanzen N 2 O-Emissionen Berechnung Schweiz (Faktoren IPCC; Aktivitäten modifiziert nach Schmidt et al., 2000) Beispiel für Tier 2 approach: Emissionsfaktoren = IPCC, Aktivitäten: CH-spezifisch (Tierkategorien, NH3-Emissionen, Anteil Haltungssysteme, frac leach,)

38 Treibhausgasbilanzen CH 4 -Emissionen Tierhaltung Methane emissions agriculture: Enteric fermentation EF+Manure management MM: MM: Emission factor: (Activity: animal number) EF: Emission factor: (Activity: animal number) Y m : methane conversion rate

39 Treibhausgasbilanzen CH 4 -Emissionen Tierhaltung Schweiz Methanemissionsfaktoren (kg CH 4 /Tier/Jahr, CH, 2001) EFMM Dairy Cattle Non-dairy Cattle Pigs Sheep Poultry0.01

40 Treibhausgasbilanzen Nettoeffekt Mineralboden ( g CO 2 -Äquiv. m -2 a -1 ; Robertson et al., ) ManagementCO 2 N2ON2OCH 4 Net GWP 1 Soil CN –fert.LimeFuel Annual crops Conventional Tillage No till Perennial crops Alfalfa Poplar Succession Early succession Old sucession (1) Positive = emission (2) 1 g CO 2 m -2 = 10 kg CO 2 ha -1

41 Treibhausgasbilanzen Gesamtemissionen CH (links) und Anteile der Sektoren im Jahr 2000 (rechts) (BUWAL Treibhausgasinventar: Landwirtschaft: 53% CH4 47% N2O

42 Treibhausgasbilanzen Landwirtschaft (BUWAL Treibhausgasinventar) -10% Time-course GHG emissions agriculture

43 Treibhausgasbilanzen Anteile CH4, N2O, und CO2 an landwirtschaftlichen Treibhausgasemissionen/LULUCF (BUWAL, 2000) Ausgeglichene Flüsse beim Bodenkohlenstoff? ?

44 Teil 3: Nationale Ebene: Bodenkohlenstoff Mineralische Böden Organische Böden 1. Mineralböden: cm; Moore: cm (Leifeld et al., 2003) Kohlenstoffgehalte in landwirtschaftlichen Böden der Schweiz je Hektar 1 Treibhausgasbilanzen Bodenkohlenstoff Schweiz

45 Teil 3: Nationale Ebene: Bodenkohlenstoff Vergangene und prognostizierte C-Verluste kultivierter Moore Deutliche C-Verluste durch Moorkultivierung seit 1885 Treibhausgasbilanzen Bodenkohlenstoff Schweiz Leifeld et al., 2003

46 Teil 3: Nationale Ebene: C-Sequestrierung Übersicht über mögliche Senkenaktivitäten und Senkenpotentiale 1 in der Schweiz 1: Aktivität 3+5 1: Einschliesslich vermeidbarer Emissionen Treibhausgasbilanzen Sequestrierungspotentiale Schweiz I

47 Teil 3: Nationale Ebene: C-Sequestrierung Das C-Senkenpotential im Vergleich zu anderen Treibhausgasflüssen in der Schweiz 1. Mittel der Periode 1990 – 1999 (Schweizerisches Treibhausgasinventar) Treibhausgasbilanzen Sequestrierungspotentiale Schweiz II C-Senken Landwirtschaft können max. 21% der landwirtschaftlichen CH4 und N2O-Emissionen kompensieren

48 Zusammenfassung Treibhausgasbilanzen 1.IPCC-Methodik: Aktivität * Emissionsfaktor, Tier Bei Methan und Lachgas ist die Landwirtschaft bedeutendste Emittent in der Schweiz (entspricht dem globalen Bild) 3.Methanemissionen wurden seit 1990 v.a. durch eine Verkleinerung des Kuhbestandes verringert; N 2 O durch Verringerung Mineral-N und Futtermittelimporte 4.Reduktionsstrategien: Weiter verringerte Tierzahlen und Abnahme N- Einsatz Landwirtschaft ohne Kompensation durch Importe!! 5.Landwirtschaftliche CO 2 -Flüsse sind bedeutend; CO 2 Emissionen aus Mooren in Treibhausgasinventare integriert, Mineralböden nicht 6.Das Senkenpotential kann weder die CH 4 und N 2 O-Emissionen der Landwirtschaft noch die historischen C-Verluste kompensieren!

49 Mögliche Themen Diplomarbeiten 1.Torfabbau durch Moorkultivierung: Indikatoren und Einflussgrössen 2.Bodenkohlenstoffvorräte und Umsetzungsraten entlang eines topographischen Gradienten (ev. Oberwallis) Interessierte kontaktieren mich unter: Jens Leifeld, AGROSCOPE FAL Reckenholz, Reckenholzstrasse 191, 8046 Zürich, Tel ,


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