Landnutzung Bedeutung für Mensch und Umwelt Ausgewählte Ergebnisse der Forschungsstelle Nachhaltige Umweltentwicklung (FNU) der Universität Hamburg Hamburg, 17. May 2011 Präsentation der Gruppe von Dr. Uwe Schneider

Herausforderungen Die Landnutzung kann die nachhaltige Verwirklichung vieler gesellschaftlicher Ziele entscheidend beeinflussen. Dazu zählen die Sicherheit von Nahrungsmitteln, Trinkwasser, Energie, und Klima sowie die Bewahrung von wirtschaftlichen Existenzen, Landschaften und Lebensräumen. Die bedeutsamen globalen Gesamtwirkungen der Landnutzung sind die Summe von sehr vielen und lokal verschiedenen Kleinwirkungen. Eine optimale Steuerung erfordert das Zusammenspiel von Politikern, Wissenschaftlern sowie wirtschaftlichen und gesellschaftlichen Interessensverbänden.

Fragestellungen Wie lassen sich die verschiedenen gesellschaftlichen Ansprüche an die Landnutzung am besten vereinbaren? Wie groß sind die lokalen und globalen Potenziale der Landnutzung für die nachhaltige Produktion von Nahrungsmitteln und erneuerbaren Rohstoffen? Wie sollen die Umwelteinflüsse der Landnutzung bewertet werden und wie können Konflikte mit Marktinteressen reduziert werden? Welche Rolle spielen nationale und internationale Politikentscheidungen für die Erreichung einer optimalen Landnutzungsentwicklung?

Erreichtes Forschungskapital Entwicklung mathematischer Modelle und dazugehörender empirischer Daten zur Analyse der Landnutzung und der Landnutzungsentwicklung Verknüpfung von Klima-, Biophysikalischen, Landnutzungs-, und Energiemodellen Hohe naturräumliche und technologische Auflösung der Landnutzungsdarstellung und ihrer vielfältigen Umwelteinflüsse mit Einbeziehung von Mitigations- und Anpassungsstrategien Globale ökonomische Agrar- und Forstmarktmodellierung (wohlfahrtstheoretisch fundiert) mit endogenen Güterpreisen und endogenen Handelsmengen Simultane Analyse von mit der Landnutzung verbundenen Entwicklungszielen

Forschungsthema 1 Entwicklung der Europäischen und globalen Feuchtgebiete

Motivation Feuchtgebiete sind durch die unvollständige Bewertung ihrer ökologischen und marktexterner Nutzen gefährdet. Die quantitative Abschätzung der lokal sehr verschiedenen Kosten-Nutzen Bilanzen ist eine wichtige Voraussetzung um die wertvollsten Feuchtgebiete zu erhalten.

Verteilung der Feuchtgebiete Mit einem räumlich hochaufgelösten geographischen Modell (Schleupner 2010) wurden Zeitreihen von Klima-, Boden-, und Landnutzungsdaten benutzt um die Verteilung der Europäischen Feuchtgebiete zu bestimmen. Die nachfolgenden Grafiken zeigen die Aufgliederung der Feuchtgebiete in verschiedene Typen (Grafik 1-1) und verschiedene Existenzklassen (Grafik 1-2).

Marsche und Schilfröhrichte Hoch- und Niedermoore Feuchtwälder Marsche und Schilfröhrichte Offene Binnengewässer Grafik 1-1

Existierende Feuchtgebiete Restaurierbare Feuchtgebiete Grafik 1-2 Existierende Feuchtgebiete Restaurierbare Feuchtgebiete Offene Binnengewässer

Saisonale Verteilung der Feuchtgebiete Grafik 1-3 zeigt die saisonale Abweichung der globalen Feuchtgebietsausdehnung vom jährlichen Mittel. Verwendet werden die Monatsmittel der simulierten Ausdehnungen über eine 35-Jahre Simulation, angetrieben mit Temperatur, Niederschlag und potentieller Verdunstung aus den Daten (1958-1999) des WATCH-Projektes. Die numerische Simulation von Feuchtgebieten spiegelt die Schneeschmelze auf der Nordhalbkugel sowie die Regenzeiten in den Tropen wieder und stimmt darin mit Beobachtungen überein. Neben den saisonalen Variationen kann auch die Änderung der Feuchtgebietsausdehnung für andere Klimazustände berechnet werden.

Saisonale Veränderungen der globalen Feuchtgebiete Grafik 1-3 Saisonale Veränderungen der globalen Feuchtgebiete (MPI/Clisap/FNU, Stacke, 2011) DJF MAM JJA SON

Feuchtgebiete als Lebensraum Feuchtgebiete sind Lebensraum für viele bedrohte Tier- und Pflanzenarten. Für 72 der wichtigsten Tierarten (siehe Grafik 1-4) wurden die Lebensraumanforderungen bestimmt und kartiert. Dafür wurden umfangreiche Daten über die historische Verbreitung dieser Arten und Erkenntnisse aus der Populationsbiologie genutzt.

Grafik 1-4 Vögel Säugetiere Amphibien Reptilien

Geschützte Feuchtgebiete Ein Teil der Europäischen Feuchtgebiete sind durch existierende Schutzmaßnahmen bereits mehr oder weniger geschützt. Grafik 1-5 gibt einen Überblick über die räumliche Verteilung der Schutzgebiete unter NATURA 2000 – einem von der Europäischen Komission organisierten Naturschutznetzwerk.

Naturschutzfläche durch Natura 2000 (in %) Grafik 1-5

Kostensparender Lebensraumschutz Schutz von Feuchtgebieten als Lebensraum für wertvolle Tier- und Pflanzenarten verursacht nicht nur direkte Kosten für die Überwachung und Erhaltung der geschützen Gebiete sondern auch Opportunitätskosten vor allem im landwirtschaftlichen Bereich. Diese Kosten hängen dabei sowohl von lokalen Bedingungen als auch von internationalen Agrarmarktpreisen ab. Je höher die potentiellen Nutzpflanzenerträge sind, desto größer sind die Opportunitätskosten. Die Biodiversitätsnutzen von Schutzgebieten sind ebenfalls heterogen und hängen davon ab, wieviele Arten lokal geschützt werden und wie bedroht diese Arten sind. Das an der FNU entwickelte Habitatmodell versucht alle diese Einflüsse zu berücksichtigen und die weitere Entwicklung von ökonomisch und ökologisch sinnvollen Schutzplanungen für Europäische Feuchtgebieten zu unterstützen.

Habitatmodell Das Habitatmodell (Jantke und Schneider 2010) integriert räumlich explizite Daten über: die Verteilung von Feuchtgebieten in ganz Europa mit Informationen über den Schutzstatus die Lebensraumanforderungen von 70 wichtigen Feuchtgebietsarten die landwirtschaftlichen Nutzpflanzenpotenziale Marktpreise und Nachfragefunktionen für Agrarprodukte Für einen vorgegebenes Schutzziel, kann das Modell die kostengünstigste Verteilung von Erweiterungen der Schutzgebietsnetzwerke berechnen.

Koordinierung von Schutzmaßnahmen Grafik 1-6 zeigt Simulationsergebnisse des HABITAT-Modells über den Nutzen von koordinierter Naturraumschutzplanung über taxonomische und Ländergrenzen hinweg. Bei maximaler Koordinierung der Europäischen Naturschutzräume können bis zu 30% der für ein vorgegebenes Schutzziel nötigen Landfläche eingespart werden. Ein Schutzziel beinhaltet dabei die Anzahl von unabhängigen, nachhaltig lebensfähigen Populationen aller 70 im Habitat-Modell repräsentierten Wirbeltierarten.

EU Naturschutzraumplanung für 70 Wirbeltierarten Grafik 1-6 EU Naturschutzraumplanung für 70 Wirbeltierarten 10 20 30 40 50 60 70 1 5 15 Anzahl geschützter, unabhängiger, nachhaltig lebensfähiger Populationen Flächenbedarf für Schutzgebiete [mio ha] Keine Koordinierung Maximale Koordinierung

Bioenergie und Feuchtgebiete Grafik 1-7 zeigt Simulationsergebnisse des Europäischen Forst- und Agrarsektoroptimierungsmodells (Schneider et al. 2008, Schleupner und Schneider, 2010). Die Kosten des Schutzes der Europäischen Feuchtgebiete hängen stark von den politischen Rahmenbedingungen ab. Eine gleichzeitige Einführung von Waldschutz, Bioenergieförderung, und Handelsrestriktion zur Verhinderung von steigenden Nahrungsmittelimporten durch die EU erhöhen die Kosten des Europäischen Feuchtgebietsschutzes beträchtlich.

Bioenergie und Feuchtgebiete Grafik 1-7 Ausgewählte Szenarien Viel Bioenergie = 400 millionen tonnen biomasse pro Jahr in EU27 Minimale Abholzung = Abholzung < 10% Begrenzter Handel = EU Importe duerfen nicht steigen relative to status quo Schleupner und Schneider, 2010

Referenzen Jantke, K., C. Schleupner, and U.A. Schneider (2011). "Gap analysis of European wetland species: priority regions for expanding the Natura 2000 network." Biodiversity and Conservation 20(3):581-605. Jantke, K. and U.A. Schneider (2010). "Integrating land market feedbacks into conservation planning - a mathematical programming approach." Environmental Modeling and Assessment. Schleupner, C. and U.A. Schneider (2010). "Effects of bioenergy policies and targets on European wetland restoration options." Environmental Science & Policy 13(8):721-732. Jantke, K. and U.A. Schneider (2010). "Multiple-species conservation planning for European wetlands with different degrees of coordination." Biological Conservation 143(7):1812-1821. Schleupner C. (2010) GIS-based estimation of wetland conservation potentials in Europe. In: Taniar, D., Gervasi, O., Murgante, B., Pardede, E. & Abduhan, B. (eds.) Computational Science and its applications. Part I, Springer, pp. 193-209. Schneider U.A., J. Balkovic, S. De Cara, O. Franklin, S. Fritz, P. Havlik, I. Huck, K. Jantke, A.M.I. Kallio, F. Kraxner, A. Moiseyev, M. Obersteiner, C.I. Ramos, C. Schleupner, E. Schmid, D. Schwab, R. Skalsky (2008), The European Forest and Agricultural Sector Optimization Model – EUFASOM, FNU-156, Hamburg University and Centre for Marine and Atmospheric Science, Hamburg. Stacke, T. 2011: Development of a dynamical wetlands hydrology scheme and its application under different climate conditions. Dissertation, eingereicht an der Universitaet Hamburg, 145 Seiten.

Forschungsthema 2 Beitrag der Landwirtschaft zur Senkung der Treibhausgaskonzentrationen

Landnutzung und Treibhausgase Die Landwirtschaft kann drei wesentliche Beiträge zur Senkung der Treibhausgasemissionen leisten: Verringerung der eigenen Emissionen (Methan- und Lachgasemissionen der Tierproduktion, Kohlendioxidemissionen durch Abholzung und Landdegradierung) Erhöhung der Kohlenstoffsenken in Böden wachsenden Wäldern Produktion von emissionsfreundlichen Subsituten für fossile emissionsreiche Roh- und Brennstoffe

Emissionsminderung von Treibhausgasen durch die Landnutzung Technische Potenziale beschreiben die Einsparungen an Treibhausgasemissionen bei maximalem Einsatz einer bestimmten Technologie ohne Beachtung von Kosten und Marktpreisen. Ökonomische Potenziale beschreiben die Einsparungen an Treibhausgasemissionen bei optimalem Einsatz einer bestimmten Technologie mit Beachtung von Kosten und Marktpreisen. Wettbewerbs-Potenziale beschreiben ökonomische Potenziale unter Einbeziehung der Opportunitätskosten von alternativen Emissionsminderungstechnologien. Ökonomische Potenziale sind in der Regel kleiner als technische Potenziale. Ökonomische Potentiale werden als Funktion von Emissionspreisen dargestellt und sind eine wichtige Grundlage für Klimapolitikverhandlungen.

Agrarsektormodellierung zur Bestimmung von Emissionsminderungspotenzialen Die an der FNU entwickelten Modelle integrieren: regional angepasste landwirtschaftliche Produktionstechnologien sowie geeigneten Optionen für die Minderung von Treibhausgasemissionen Naturräumliche Unterschiede der Agrarlandschaft und deren Einflüsse auf die landwirtschaftliche Produktivität regional differenzierte Treibhausgaswirkungen für alle Produktionstechnologien internationale Agrarmärkte über empirisch ermittelte, preis-endogene Nachfragefunktionen Nachfrage nach Energie- und Industrierohstoffen Politische Steuerinstrumente

Potenziale der Emissionsminderungsoptionen Grafiken 2-1 bis 2-3 zeigen die ökonomischen und technischen Potenziale der Emissionsminderung von verschiedenen Optionen in der Land- und Forstwirtschaft der USA (Schneider et al. 2007). Selbst unter hohen Emissionspreisen wird nur ein Teil des gesamten technischen Emissionsminderungspotenzials ökonomisch rentabel. Begrenzt verfügbare Landresourcen führen bei steigender Aufforstung und Bioenergieproduktion zu steigenden Nahrungsmittelpreisen und damit zu steigenden Opportunitätskosten. Die durch die Vereinten Nationen ermittelten CO2 Emissionen für das Jahr 2008 betrugen 8000 Milliarden tonnen C (Welt) mit einem Anteil der USA von 1600 Milliarden tonnen C.

Bodenkohlenstoffspeicherung durch Pfluglose Bodenbearbeitung Grafik 2-1 500 Ökonomisches Potenzial 400 300 Kohlenstoffemissionspreis (USD/tonne C) Wettbewerbs- Potenzial 200 Technisches Potenzial 100 20 40 60 80 100 120 140 160 Bodenkohlenstoffspeicherung (mio tonnen C)

Kohlenstoffspeicherung durch Aufforstung von Ackerland Grafik 2-2 500 400 Wettbewerbs- Potenzial 300 Kohlenstoffemissionspreis (USD/tonne C) 200 Technical Potential 100 Ökonomisches Potenzial 50 100 150 200 250 300 Kohlenstoffspeicherung (mio tonnen C)

Emissionsminderung durch Produktion von Bioenergie Grafik 2-3 500 Ökonomisches Potenzial 400 Wettbewerbs- Potenzial 300 Kohlenstoffemissionspreis (USD/tonne C) 200 100 Technisches Potenzial 50 100 150 200 250 300 350 Emissionsreduktion (mio tonnen C)

Wettbewerbspotenziale der Vermeidungsoptionen Grafik 2-4 veranschaulicht den Wettbewerb zwischen den landwirtschaftlichen Optionen zur Treibhausgasverminderung. Niedrige Emissionspreise fördern komplementäre Vermeidungsstrategien (z.B. Bodenkohlenstoffspeicherstrategien) mit relativ geringen Kosten aber auch geringen Vermeidungspotentialen. Die Nahrungsmittelpreise werden nur gering beeinflußt. Höhere Emissionspreise führen zum Einsatz von speziellen Vermeidungsstrategien wie Aufforstung und Bioenergieproduktion. Diese Strategien erreichen höhere Emissionsminderungen aber führen auch zu höheren Nahrungsmittelpreisen (Grafik 2-5).

Wettbewerb von Option zur Minderung der Treibhausgasemissionen Grafik 2-4 500 Aufforstung 400 Pfluglose Boden- bearbeitung 300 Kohlenstoffemissionspreis (USD/tonne C) CH4 N2O 200 Bioenergie 100 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 Emissionsminderung (mmtce)

Agrarmarktentwicklung Grafik 2-5 220 200 Nutzpflanzenpreise 180 160 140 Tierproduktpreise Preisindex 120 Tierproduktion 100 80 60 Nutzpflanzenproduktion Nettoexporte von Nutzpflanzen 40 20 50 100 150 200 250 300 Kohlenstoffemissionspreis (USD/tonne C)

Referenzen 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. 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.

Weitere Forschungsthemen Regionale Landnutzungsentwicklung im norddeutschen Raum Globale Analyse regional differenzierter Nahrungsmittelproduktion in Abhängigkeit von Bevölkerungs- und Wirtschaftswachstum sowie Energie- und Umweltpolitik Einfluss von Pestizidsteuern auf die landwirtschaftliche Produktion und die Wasserqualität (Baumwolle, Indien)