Klima und Landnutzung Uwe A. Schneider Forschungsstelle Nachhaltige Umweltentwicklung KlimaCampus, Universität Hamburg

Gliederung Wechselwirkungen zwischen Klima und Landnutzung Strategien zur Emissionsminderung von Treibhausgasen durch Landnutzung Methodik für integrierte ökonomische Analyse Einsparpotenziale von Treibhausgasen

Landnutzung

Landnutzung Klima (Umwelt) Gesellschaft

Klima ► Landnutzung Pflanzliche Produktionspotenziale Bodenqualität Maximalertrag (Licht, Temperatur, CO2) Wasserangebot Schadorganismen Bodenqualität Erosion Humusgehalt Nährstoffgehalt

Landnutzung ► Klima Treibhausgasemissionen Treibhausgassenken Abholzung, Biomasseverbrennung Tierhaltung, Maschinen, Agrarchemie, Transport Treibhausgassenken Bodenkohlenstoff und lebende Biomasse Treibhausgasentlastungen Biokraftstoffe und Biomaterialien Wasserverdunstung Lichtreflexion

Gesellschaft ► Landnutzung Nachfrage (Märkte & Politik) nach Hochwertigen Nahrungsmitteln (ganzjährig) Erneuerbaren Energien und Industrierohstoffen Umweltschonender Produktion (Wasser, Boden, Luft, Klima, Tierschutz, Artenschutz) Land-, Wasser-, und Energieeffizienz Bewahrung von Kultur- und Naturlandschaften, Ländliche Entwicklung

Gesellschaft ► Landnutzung Klimaschutz eines von vielen Interessen und Ansprüchen Synergien Konflikte Begrenztheit der Ressourcen (Land)

Klimawandel ► Landnutzung Änderung der Produktionskosten (Angebot) Änderung der Marktpreise (Nachfrage) Änderung der politischen Instrumente (Subventionen, Steuern, Verbote, etc.) Anpassung

Warum Landnutzungsstrategien für Treibhausgasminderung? Geringe Kosten Win-Win Strategien Zeitgewinnung Wedges

Landnutzungsstrategien zur Minderung der Treibhausgasemissionen Reduzierung des fossilen Energieverbrauchs (Gesellschaft) Biomasse für Wärme und Elektrizität Biokraftstoffe (Ethanol, Biodiesel, …) Biomaterialien (Öle, Biopolymere, …)

Landnutzungsstrategien zur Minderung der Treibhausgasemissionen Reduzierung des fossilen Energieverbrauchs (Landnutzung) Verbesserung der Input-Output Verhältnisse Standortgerechte Produktion Präzisionslandwirtschaft

Landnutzungsstrategien zur Minderung der Treibhausgasemissionen Bodenkohlenstoffspeicherung Zwischenfruchtanbau Pfluglose Bodenbearbeitung Ödlandrestaurierung Anhebung des Wasserspiegels, Wiedervernässung von Mooren Terra Preta (Holzkohle, Dung, Kompost)

Landnutzungsstrategien zur Minderung der Treibhausgasemissionen Verringerung von Methan- und Lachgasemissionen Alternative Düngungssysteme (Einarbeitung, Menge, Typ, Inhibitoren) Fütterungsumstellung von Wiederkäuern Stalldung- und Güllebehandlung (Abdeckung, Vergasung) Reismanagement

Landnutzungsstrategien zur Minderung der Treibhausgasemissionen Kohlenstoffspeicherung in Biomasse Verhinderung der Abholzung Aufforstung Durchforstung Technischer Fortschritt anwendbar auf alle Landnutzungsstrategien

Landnutzungsstrategien zur Minderung der Treibhausgasemissionen Veränderung der Nachfrage und der Konsumentenpräferenzen Weniger Fleisch Mehr saisonale Produkte Mehr lokale Produkte Weniger Verarbeitung

Strategien zur Emissionsvermeidung Heterogen (Ressourcen, Technologien, Strategien) Komplex (Abhängigkeiten durch Begrenztheit von Land – keine einfache Addierung, Externe Effekte) Dynamisch (C-Sättigung, gesellschaftliche Entwicklung) Globale Wechselwirkungen (Handel, Emissionslecks, Klimawirkungen)

Potentiale der Emissionsvermeidung Wichtig für politische Verhandlungen und Zielsetzungen Abschätzung erfordert neutrale, integrierte, und interdisziplinäre Analyse sonst werden die Lösungen von Heute das Problem von Morgen

Potentiale der Emissionsverminderung Ökonomisch Technisch Basieren auf Kosten-Nutzen-Analyse Erlöse ≥ Kosten Basieren auf Verfügbarkeit von Ressourcen Wirkungsgrad der Technologien

Forst- und Agrarsektor- Optimierungsmodell (FASOM) US (1993-) … Texas A&M Universität EU (2004-) … Universität Hamburg Global (2006-) … Internationales Institute für angewandte Systemanalyse

Forst- und Agrarsektor- Optimierungsmodell (FASOM) Partielles Gleichgewichtsmodell, Bottom-Up Design Maximiert Summe der Konsumenten und Produzentenrenten Restriktionen durch Technologien, Ressourceverfügbarkeit, Politiken Räumlich gegliedert, Dynamisch Integriert und internalisiert externe Effekte Mathematisch programmiert in GAMS

Mathematische Programmierung Bis zu 6 Millionen Variablen, 1 Million Gleichungen

Marktgleichgewicht Preis Angebot Konsumenten Rente P* Produzenten Nachfrage Q* Menge

Marktgleichgewicht Landverfügbarkeit Waldinventar Verarbeitung KR PR Wasserangebot Produktnachfrage Arbeitskräfte Marktgleichgewicht Tierproduktion Andere Inputs Importangebot Exportnachfrage

Verarbeitungs- Technologien FASOM Struktur Grenzen Grenzen Ressourcen Landnutzungs- Technologien Produkte Märkte Inputs Nachfrage- Funktionen, Handel Einflüsse auf Umwelt Verarbeitungs- Technologien Angebots- Funktionen Kapazitäts- grenzen

EUFASOM Modellsystem EUFASOM Climate Models Farm level & GIS Data Viable Population Analysis Spatial Analysis Tools Engineering Equations Crop & Tree Simulation Models Systematic Wetland Conservation Planning EUFASOM Other Economic Models

Interdisziplinarität Räumliche Heterogenität Geographie Klimawirkungen Naturwissenschaften Landnutzung Ökologie, Landwirtschafts-, und Forstwirtschaftswissenschaften Technologien Ingenieurwissenschaften Globale Märkte Ökonomie Politische Instrumente Rechts- und Politikwissenschaften

Heterogenität DE11 DE12 DE14 DE13 Altitude: Slope Class: < 300 m 0-3% 3-6% 6-10% 10-15% … DE11 DE12 Texture: Coarse Medium Medium-fine Fine Very fine Soil Depth: shallow medium deep DE14 DE13 Stoniness: Low content Medium content High content

Wettbewerb

“The production of biomass for energy purposes may lead to competition with production of food, building materials, energy supply and medicines. This involves competition for production factors such as raw materials, land, water and labor. This must be avoided wherever possible. The translation of this theme into criteria and indicators is uncharted territory, so far it has not been included in any of the existing certification systems (Cramer Commission 2007).” Quelle: Eingereichtes Manuskript für Artikel in Forest Policy and Economics (May 2009)

Einsparpotenziale von Treibhausgasen durch Landnutzungsänderung

1 USFASOM Simulationen Schneider, U.A., McCarl, B.A., and Schmid, E. (2007). Agricultural sector analysis on greenhouse gas mitigation in US agriculture and forestry. Agricultural Systems 94:128-140. Lee, H.C., U.A. Schneider, McCarl, B.A., and Chen, C.C. (2007). Leakage and comparative advantage implications of agricultural participation in greenhouse gas emission mitigation. Mitigation and Adaptation Strategies for Global Change 12(4):471-494 Schneider, U.A. and McCarl, B.A. (2006). Appraising agricultural greenhouse gas mitigation potentials: Effects of alternative assumptions. Agricultural Economics. 35(3):277-287. Schneider, U.A. and McCarl, B.A. (2005). Implications of a carbon-based energy tax for US agriculture. Agricultural and Resource Economics Review 34(2):265-279. Schneider, U.A. and McCarl, B.A. (2003). Economic potential of biomass based fuels for greenhouse gas emission mitigation. Environmental & Resource Economics 24(4):291-312. McCarl, B.A. and Schneider, U.A. (2001). Climate change - Greenhouse gas mitigation in US agriculture and forestry. Science 294(5551):2481-2482

Vermeidungspotentiale 500 450 400 350 Wettbewerbs Potential Technisches Potential 300 Kohlenstoffpreis (USD/tce) 250 200 150 tion 100 50 100 200 300 400 500 600 700 800 Treibhausgasminderung (mmtce)

Kohlenstoffpreis (USD/tce) 500 450 Endogene Preise Konstante Flächen Endogene Preise und Flächen 400 350 300 Konstante Preise und Flächen 250 Kohlenstoffpreis (USD/tce) 200 150 Konstante Preise Endogene Flächen 100 50 100 200 300 400 500 600 700 Treibhausgasminderung (mmtce)

Produktionsintensitäten 115 110 Bewässerung 105 100 Intensität in Prozent 95 Pflugbearbeitung 90 85 Stickstoffdüngung 80 75 100 200 300 400 500 Kohlenstoffpreis (USD/mtce)

Landwirtschaftliche Märkte 220 200 Nutzpflanzenpreise 180 160 140 Tierproduktpreise Fisher index 120 Tierproduktion 100 80 60 Getreide- Exporte Pflanzenproduktion 40 20 50 100 150 200 250 300 Kohlenstoffpreis (USD/tce)

Wohlfahrtseffekte 8 6 4 Produzenten (Brutto) 2 Produzenten (Netto) Milliarden USD -2 Emissions-Zahlungen -4 -6 Konsumenten -8 -10 20 40 60 80 100 Kohlenstoffpreis (USD/tce)

Bioenergie Emissionsminderung 500 Ökonomisches Potential 400 Wettbewerbs Potential 300 Kohlenstoffpreis ($/tce) 200 Technisches Potential 100 50 100 150 200 250 300 350 Emissionsreduzierung (mmtce)

Kohlenstoffsenke – Pfluglose BB 500 Ökonomisches Potential 400 Kohlenstoffpreis ($/tce) 300 Wettbewerbs- Potential 200 Technisches Potential 100 20 40 60 80 100 120 140 160 Bodenkohlenstoffspeicherung (mmtce)

Vermeidungsstrategien 500 Aufforstung 400 Kohlenstoffpreis (USD/tce) Pfluglose Bearbeitung 300 CH4 N2O 200 Bioenergie 100 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 Emissionsminderung (mmtce)

Andere Umwelteinflüsse 100 N-Schichtwasser 90 80 N-Grundwasser Veränderung (%/Hektare) 70 Bodenerosion 60 50 P-Verluste 40 50 100 150 200 250 300 Kohlenstoffpreis (USD/tce)

Emissions-Lecks 160 150 Nettoexporte von Nahrungsmitteln aus Nicht-Annex I Ländern für Treibhausgaspolitiken in: 140 130 Fisher Index 120 Annex I Länder 110 100 Alle Länder 90 20 40 60 80 100 Kohlenstoff (USD/tce)

2 EUFASOM Simulationen Jantke, K. and U.A. Schneider (2009), Opportunity costs in conservation planning – of the case of European wetland species, prepared for Conservation Letters Link, P.M., C.I. Ramos, U.A. Schneider, E. Schmid, J. Balkovič and R. Skalský (2008), The interdependencies between food and biofuel production in European agriculture - an application of EUFASOM, submitted to Biomass and Bioenergy. Schleupner, C. and U.A. Schneider (2008), Evaluation of European wetland restoration potentials by considering economic costs under different policy options, FNU-158, Hamburg University and Centre for Marine and Atmospheric Sciences, Hamburg. Schneider U.A., J. Balkovič, S. De Cara, O. Franklin, S. Fritz, P. Havlík, I. Huck, K. Jantke, A.M.I. Kallio, F. Kraxner, A. Moiseyev, M. Obersteiner, C.I. Ramos, C. Schleupner, E. Schmid, D. Schwab, R. Skalský (2008), The European Forest and Agricultural Sector Optimization Model – EUFASOM, FNU-156, Hamburg University and Centre for Marine and Atmospheric Sciences, Hamburg.

2010 EU Bioenergie Ziele 21% Elektrizität aus Biomasse ≈ 610 Tausend GWh ≈ 300 Millionen t Biomasse 5.75% Biokraftstoffe

2010 EU Biodiversitätsziele 2001: European Council committed to ‘halt the decline of biodiversity by 2010’ in Europe 2002: EU joined about 130 countries in agreeing ‘to significantly reduce the rate of biodiversity loss by 2010‘ worldwide ABER Biodiversitätsverluste steigen immer noch Schutz oft ad hoc und unkoordiniert 2010 ist in einem Jahr

EUFASOM Biodiversität 8 EUFASOM Biodiversität 69 Feucht-gebiets-arten

60 50 Moore All Feuchtgebiete Feuchtwälder 40 Feuchtwiesen Mindestfläche in Millionen Hektare Flussränder 30 Gewässer 20 10 5 10 15 20 25 30 35 40 Lebensfähige Populationen

EU25 Bioenergie Potentiale 600 Feuchtgebiete = 40 Mha 500 400 Marginale Biomasse Kosten in Euro/ton 300 30 Mha 200 10 Mha 100 50 100 150 200 250 300 350 400 Europäische Biomasse Produktion in Millionen Tonnen

3 Global FASOM Simulationen Havlík, P., U.A. Schneider, E. Schmid, H. Böttcher, S. Fritz, R. Skalský, Kentaro A., S. de Cara, G. Kindermann, F. Kraxner, S. Leduc, I. McCallum, A. Mosnier, T. Sauer, and M. Obersteiner (2009), Global land-use implications of first and second generation biofuel targets, submitted to Energy Policy. Schneider U.A., P. Havlík, E. Schmid, M. Obersteiner, T. Sauer, R. Skalský, S. Fritz (2009) Food production impacts of alternative global development scenarios, submitted to Population and Environment. Sauer, T.P. Havlík, U.A. Schneider, G. Kindermann, M. Obersteiner (2009), Agriculture and resource availability in a changing world - the role of irrigation, revised for Water Research. Schneider, U.A., C. Llull, and P. Havlík (2008), “Modeling Income Effects in a Partial Equilibrium Model”, The XIIth EAAE Congress, Ghent, Belgium, August 26-29, 2008. Sauer, T.P. P. Havlík, U.A. Schneider, G. Kindermann, and M. Obersteiner (2008), “Agriculture, Population, Land and Water Scarcity in a changing World – The Role of Irrigation”, The XIIth EAAE Congress, Ghent, Belgium, August 26-29, 2008.

Schlussfolgerungen Landnutzung wichtig für Klimaschutz Everything is related with everything Landnutzung wichtig für Klimaschutz Klimaschutzbeitrag mit anderen Zielen koordinieren Landnutzungswettbewerb kein vermeidbares Übel Globale Wechselwirkungen beachten Emissionsorientierte Politikinstrumente Globaler Altwaldschutz Kombinierte Landnutzungstechnologien