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

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 N2O und CH4; Corg-Gehalte landwirtschaftlicher Böden/Sequestrierung 3. Treibhausgasbilanzen Landwirtschaft Treibhausgasbilanzen gem. IPCC, Zeitliche Entwicklung der THG-Emissionen Schweiz, Reduktionsstrategien- und Potenziale

Global Change – Rekapitulation: Parallelität atmosphärische CO2-Konzentration und Temperaturschwankung Anstieg der atm. Konzentration der Treibhausgase CO2, N2O, CH4 Menschlicher Einfluss auf die Zusammensetzung der Erdatmosphäre: Heutige atmosphärische CO2-Konzentration höher als in den letzten 400000 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

Grundlagen I. Quellen und Senken CO2-Budget Global Average annual budget of CO2 for 1980 to 1989 and for 1989 to 1998 (in Gt C a-1) ( 90% confidence interval) ; IPCC (2000)

Grundlagen I. Quellen und Senken Methan (IPCC 2001) Mt CH4/year Natural sources Wetlands 115 Termites 20 Ocean 10 Hydrates 5 Sum Natural 150 Antropogenic sources Energy 75 Landfills 40 Ruminants 80 Rice agriculture 100 Biomass Burning 55 Sum Anthropogenic 350 Total Source 500 Sinks Soils Trophosperic OH 450 Total sink 460 Imbalance

Grundlagen I. Quellen und Senken Lachgas (IPCC 2001) Mt N/year Natural Sources Ocean 3.0 NH3-oxidation Atmosphere 0.6 Tropical Soils Wet Forest Dry Savannas 1.0 Temperate Soils Forests Grasslands Sum Natural 9.6 Anthropogenic Sources Agricultural Soils 4.2 Biomass Burning 0.5 Industrial Sources 1.3 Cattle and Feedlots 2.1 Sum Anthropogenic 8.1 Total Sources 17.7 (implied: 16.2) Stratospheric Sink (Photodissociation) 12.3 Imbalance 3.9

Grundlagen I. Globale Quellen und Senken in CO2-Äquivalenten (Gt CO2 a-1) Sink   Source

Grundlagen II. Wirkungsweise Treibhausgase Strahlungsbilanz der Erde (W m-2) 168 67 324 390 78 24 235 107 342 Incoming radiation Back Surface Latent Heat (ET) Sensible heat Outgoing longwave Reflected solar Absorption by surface by atmosphere GHG atmosphere surface 342 – 107 = 235; 24 + 78 + 390 = 492 - 324 = 168; 168 + 67 = 235

Grundlagen II. Wirkungsweise Treibhausgase Radiative Forcing und Global Warming Potenials GWP Radiative Forcing: „Change in net (down minus up) irradiance at the tropopause“ Für CO2: RF = 5.35*ln(C/C0) [W m-2] RF = 5.35*ln(365/278) = 1.46 = 0.017 W m-2 ppmv-1 Radiative forcing 1850-1990ies (W m-2) Percentage increase relative to incoming radiation CO2 +1.46 0.43 CH4 +0.48 0.14 N2O +0.15 0.04 Halocarbons +0.34 0.10 Sum +2.43 0.71

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 CO2. TH time horizon; ax radiative efficiency due to one unit increase in atmospheric abundance (W m-2 kg-1); ar radiative efficiency of CO2 x(t) time-dependent decay of the substance r(t) time-dependent decay of the reference CO2

Grundlagen II. Wirkungsweise Treibhausgase GWP und mittlere Verweildauer der Kyoto-Treibhausgase Gas GWP 100-Jahreshorizont Mittlere Verweildauer in der Atmosphäre (Jahre) CO2 1 50-200 CH4 23 12 N2O 296 114 Hydrofluorocarbons (HFC) 12-12000 1.4-19 Perfluorocarbons (PFC) 5700-11900 2600-50000 Sulphur hexafluoride (SF6) 22000 3200 CO2-Äquivalente: z.B. 1 kg CH4 entspricht 23 kg CO2-Äquivalenten für einen 100-jahres Zeitraum

Grundlagen III. UNFCCC United Nations Framework Convention on Climate Change UNFCCC (http://unfccc.int/) 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. Kyoto-Protokoll 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 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 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 CO2, indirect N deposition, dynamic effects of age structure.

Grundlagen III. Kyoto-Protokoll Stichwörter Joint Implementation: Klimaschutzprojekte zwischen Industrieländern (Annex I Staaten) mit Emissionsgutschriften. Senkenprojekte: Land- und Forstwirtschaft. Forstwirtschaft Art. 3.4: max. 1.83 Mt CO2 (=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 Flexible Mechanismen

Grundlagen III. Kyoto-Verpflichtung Schweiz Verpflichtungen der Schweiz Mit der Ratifizierung des Kyoto-Protokolls verpflichtet sich die Schweiz, für die erste Verpflichtungsperiode 2008-2012 zur Reduktion der Treibhausgasemissionen um 8% relativ zu 1990 (base year): Bruttoemissionen 1990: 53 Mt CO2 equiv.  4.3 Mt CO2 equiv.pro Jahr Vermeidungsverpflichtung 2008-2012 CO2-Gesetz: Verringerung der fossilen CO2-Emissionen um 10% in 2010 relativ zu 1990.

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 CO2-Quellen Global: Anteil Landnutzungsänderung/Landwirtschaft = 21% CH4-Quellen Global: Anteil Landnutzungsänderung/Landwirtschaft = 67% N2O-Quellen Global: Anteil Landnutzungsänderung/Landwirtschaft = 84% (bezogen jeweils auf die anthropogenen Quellen)

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 N2O und CH4; Corg-Gehalte landwirtschaftlicher Böden/Sequestrierung 3. Treibhausgasbilanzen Landwirtschaft Treibhausgasbilanzen gem. IPCC, Zeitliche Entwicklung der THG-Emissionen Schweiz, Reduktionsstrategien- und Potenziale

Treibhausgase und Landwirtschaft I. Treibhausgase als Produkte von Redoxreaktionen Aox + Bred  Ared + Box Allgemeine Reaktionsgleichung O2 + (CH2O)  H2O + CO2 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: CH2O+H2O  CO2+4e-+4H+; E = +0.42V Reduktionshalbreaktion: O2+4e-+4H+  2H2O; E = +0.82 V Redoxpotential Gesamtreaktion = +0.82 V + 0.42 V = +1.24 V

Treibhausgase und Landwirtschaft I. Treibhausgase als Produkte von Redoxreaktionen Redoxpotential Gesamtreaktion = +0.82 + 0.42 = +1.24 V Änderung der freien Energie: G = -nFE0´ [J] n = Anzahl Elektronen; F = Faraday-Konstante (9.68*10^4J/mol/V); E0´ = Redoxpotential bei pH7 (V) Das bedeutet für die Oxidation organischer Substanz im Boden mit O2 als Oxidationsmittel: O2 + (CH2O)  H2O + CO2 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 Oxidation organischer Substanz (CH2O) mit unterschiedlichen Elektronenakzeptoren: Oxidationsmittel Redoxpotential Gesamtreaktion (V) G (kJ/mol Kohlenstoff) Oxidationsmittel (mol) O2  H2O 1.24 -478 1 NO3-  N2 1.16 -450 0.8 MnO2  Mn(II) 0.56 -217 4 Fe(OH3)  Fe(II) 0.24 -91 SO42-  H2S 0.21 -81 0.5 Aerobe Atmung Redoxreihe Anaerobe Atmung Die Nutzung alternativer Elektronenakzeptoren verringert die energetische Effizienz der C-Oxidation

Treibhausgase und Landwirtschaft II. Lachgas Mineral Fertilizer Fixation Deposition NH4 NO3 Plant residues Mineralisation Ion exchange Manure Organic N NO3 leaching NH3 emission 2NO3-  2NO2 -  2NO  N2O  N2 Denitrification +V  +III  +II  +I  0 Plant uptake Nitrification NH4+  (N2O)  NO2 -  NO3- -III  +I  +III  +V N- emissions

Treibhausgase und Landwirtschaft II. Lachgas 2NO3- + 2CH2O + 2H+  N2O + 2CO2 + 3H2O | 1.04 V; Halbreaktion: +0.56 V O2 + CH2O  H2O + CO2 | 1.24 V; Halbreaktion: +0.82 V Die Denitrifizierung im Boden ist an niedrigere Redoxpotentiale gekoppelt und geschieht bevorzugt bei O2-Defizit O2-Konzentration (%) 0% 1% 5% 10% 15% 21% 22% Durchmesser: 12 mm Bereiche unterschiedlicher O2-Konzentration treten gleichzeitig im Boden auf; Wassergehaltsabhängig! (Sexstone et al., 1985)

Treibhausgase und Landwirtschaft II. Sind solche O2-Gradienten im Aggregatinneren typisch oder untypisch? (Angaben u.a. aus: Hillel 1998; Fenchel 1998) O2 Konzentrationsdifferenz C Aggregatoberfläche – Aggregatinneres: C=S*R^2/6D, mit C=Konzentrationsunterschied Oberfläche – Zentrum; R=Aggregatdurchmesser, S=O2 Verbrauchsrate, D=Diffusionskoeffizient O2 in Wasser Für C = O2-Konz. bei Sättigung = Kh (O2) * pO2 (=0.21) ergibt sich durch Umstellen nach R: R = [C *6D/S]^0.5 = Aggregatdurchmesser, bei dem für eine definierte O2-Verbrauchsrate S im Aggregat pO2 = 0 wird. S = 32 – 160 (Bodenproben) bzw. 3600 (Grasabbau aerob) [nmol O2/ml/h] 

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. 3600 (Grasabbau aerob) [nmol O2/ml/h] 

Treibhausgase und Landwirtschaft III. Methan Eh = -200 bis +100 mV Eh = < -200 mV Eh = > +100 mV Methanogenesis Organic matter input SO42- NO3-, Fe3+, Mn4+ Water table Methanotrophs Methane emission Methane- oxidation Methanogens depth

Treibhausgase und Landwirtschaft III. Methan Eh = > +100 mV CH4 + 2O2  CO2 + 2H2O Methanotrophes Eh = -200 bis +100 mV Two pathways of methane formation: 1) CO2 + 4H2  CH4 + 2H2O 2a) Fermentation org. matter  acetate, H2, CO2, ethanol, 2b) CH3COO- + H+  CH4 + CO2 Methanogenes Eh = < -200 mV

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

Zusammenfassung Treibhausgase und Landwirtschaft 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

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 N2O und CH4; Corg-Gehalte landwirtschaftlicher Böden/Sequestrierung 3. Treibhausgasbilanzen Landwirtschaft Treibhausgasbilanzen gem. IPCC, Zeitliche Entwicklung der THG-Emissionen Schweiz, Reduktionsstrategien- und Potenziale

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 N2O-Emission pro Einheit Dünger-N

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

Treibhausgasbilanzen C-Sequestrierungsraten

Treibhausgasbilanzen N2O-Emissionen Landwirtschaft n. IPCC

Treibhausgasbilanzen N2O-Emissionsfaktoren (IPCC, 2000) Beispiel Aktivität Milchkuh: Weidegang Gülle Stall Mist Stall 106 kg N a-1 29.6 kg N 69 kg N 7.3 kg N Beispiele Emissionsfaktoren N2O (% der Aktivität)1 Weidegang 2.0 Güllelagerung 0.1 Mistlagerung Mineral-N 1.25 Ernterückstände Ackerbau und Grünland N-Fixierung Ackerbau 1. Mittelwerte

Treibhausgasbilanzen N2O-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, fracleach,)

Treibhausgasbilanzen CH4-Emissionen Tierhaltung Methane emissions agriculture: Enteric fermentation EF+Manure management MM: EF: Emission factor: (Activity: animal number) Ym: methane conversion rate MM: Emission factor: (Activity: animal number)

Treibhausgasbilanzen CH4-Emissionen Tierhaltung Schweiz Methanemissionsfaktoren (kg CH4/Tier/Jahr, CH, 2001) EF MM Dairy Cattle 103.58 14.43 Non-dairy Cattle 42.43 3.38 Pigs 1.08 3.41 Sheep 7.13 0.14 Poultry 0.01

Treibhausgasbilanzen Nettoeffekt Mineralboden ( g CO2-Äquiv. m-2 a-1; Robertson et al., 20002) Management CO2 N2O CH4 Net GWP1 Soil C N –fert. Lime Fuel Annual crops Conventional Tillage 27 23 16 52 -4 114 No till -110 34 12 56 -5 14 Perennial crops Alfalfa -161 80 8 59 -6 -20 Poplar -117 5 2 10 -105 Succession Early succession -220 15 -211 Old sucession 21 -25 (1) Positive = emission (2) 1 g CO2 m-2 = 10 kg CO2 ha-1

Treibhausgasbilanzen Gesamtemissionen CH (links) und Anteile der Sektoren im Jahr 2000 (rechts) (BUWAL Treibhausgasinventar: http://www.umwelt-schweiz.ch/ Landwirtschaft: 53% CH4 47% N2O

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

? Treibhausgasbilanzen Anteile CH4, N2O, und CO2 an landwirtschaftlichen Treibhausgasemissionen/LULUCF (BUWAL, 2000) 2.86 2.59 0 ?  Ausgeglichene Flüsse beim Bodenkohlenstoff?

Teil 3: Nationale Ebene: Bodenkohlenstoff Treibhausgasbilanzen Bodenkohlenstoff Schweiz Kohlenstoffgehalte in landwirtschaftlichen Böden der Schweiz je Hektar1 Mineralische Böden Organische Böden 1. Mineralböden: 0-100 cm; Moore: 0-200 cm (Leifeld et al., 2003)

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

Treibhausgasbilanzen Sequestrierungspotentiale Schweiz I Teil 3: Nationale Ebene: C-Sequestrierung Übersicht über mögliche Senkenaktivitäten und Senkenpotentiale1 in der Schweiz 1: Aktivität 3+5 1: Einschliesslich vermeidbarer Emissionen

Treibhausgasbilanzen Sequestrierungspotentiale Schweiz II 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)  C-Senken Landwirtschaft können max. 21% der landwirtschaftlichen CH4 und N2O-Emissionen kompensieren

Zusammenfassung Treibhausgasbilanzen IPCC-Methodik: Aktivität * Emissionsfaktor, Tier 1-3 Bei Methan und Lachgas ist die Landwirtschaft bedeutendste Emittent in der Schweiz (entspricht dem globalen Bild) Methanemissionen wurden seit 1990 v.a. durch eine Verkleinerung des Kuhbestandes verringert; N2O durch Verringerung Mineral-N und Futtermittelimporte Reduktionsstrategien: Weiter verringerte Tierzahlen und Abnahme N-Einsatz Landwirtschaft ohne Kompensation durch Importe!! Landwirtschaftliche CO2-Flüsse sind bedeutend; CO2 Emissionen aus Mooren in Treibhausgasinventare integriert, Mineralböden nicht Das „Senkenpotential“ kann weder die CH4 und N2O-Emissionen der Landwirtschaft noch die historischen C-Verluste kompensieren!

Mögliche Themen Diplomarbeiten Torfabbau durch Moorkultivierung: Indikatoren und Einflussgrössen Bodenkohlenstoffvorräte und Umsetzungsraten entlang eines topographischen Gradienten (ev. Oberwallis) Interessierte kontaktieren mich unter: Jens Leifeld, AGROSCOPE FAL Reckenholz, Reckenholzstrasse 191, 8046 Zürich, Tel. 01 3777 510, e-mail jens.leifeld@fal.admin.ch