Messung und Modellierung von Treibhausgasemissionen und Stickstoffauswaschung in Rohstoffpflanzenfruchtfolgen

Hintergrund und Zielsetzung

Die nachhaltige Produktion von Energie- und Rohstoffpflanzen gewinnt global und national an Bedeutung. Die energetische Nutzung von Biomasse hilft,  fossile Energieträger einzusparen und kann damit substantiell zum Klimaschutz beitragen. Energieeffizienz und CO₂ -Vermeidungsleistung  der Rohstoffpflanzen können in Abhängigkeit von Anbausystem und standörtlichen Gegebenheiten sehr variieren. Aussagekräftige Klimabilanzen dieser Systeme müssen alle beteiligten Treibhausgasemissionen (THG) erfassen. Dies schließt auch direkte und indirekte Lachgasemissionen (N₂O) während des Anbaus und Kohlendioxidflüsse (CO₂) durch langfristige Änderungen der  Humusvorräte  unter verschiedenen Fruchtfolgen ein.

In diesem Projekt   untersuchen wir die THG-Bilanz verschiedener Fruchtfolgen von Rohstoffpflanzen und evaluieren verschiedene THG-Minderungsmaßnahmen. In einem Teilprojekt bestimmen wir direkte Treibhausgasflüsse für ausgewählte Rohstoffpflanzen experimentell. Mithilfe von prozessbasierten Modellen können wir anhand dieser Daten  anbaubedingte Lachgasemissionen und langfristige Humusvorratsänderungen abbilden. Dabei interessieren uns insbesondere die anbaubedingten THG-Bilanzen kurz nach der Etablierung von verschiedenen Fruchtfolgen im Vergleich zu THG-Flüssen, die sich nach einer langjährigen kontinuierlichen Nutzung einstellen.   Prozessbasierter Modelle , parametrisiert für Fruchtarten und Managementmaßnahmen (Gärrestausbringung), die typisch für den Rohstoffpflanzenanbau sind, sollen präzisere Abschätzungen zu  Effekten von Minderungsmaßnahmen (Kulturartenwahl und Fruchtfolgegestaltung, Einsatz von mineralischen und organischen Düngern) und  bei der Anwendung einfacher  empirischer Methoden,  ermöglichen.

Vorgehensweise

Das Projekt greift auf drei langjährige Versuche in Viehhausen, Roggenstein (Bayern) und Trossin (Sachsen) zurück, in der Rohstoffpflanzen in verschiedenen/bestimmten Fruchtfolgen angebaut wurden.  Auf diesen Versuchsflächen führen die TU München und die LfULG Sachsen Messungen von Treibhausgasflüssen für verschiedene ortstypische Fruchtfolgen durch. Die Analyse der Gasproben erfolgt im Thünen-Institut. Da die Versuche bereits seit mehreren Jahren betrieben werden (Dauer 6 bis 13 Jahre), ergibt sich die Möglichkeit, Fruchtfolgeneffekte und Düngevarianten (Gärrestausbringung versus mineralische Düngung) auf die Humusvorräte zu quantifizieren.
Die Versuchsdaten werden verwendet, um das prozessbasierte Model MONICA zu kalibrieren und damit in die Lage zu versetzen, die beobachtete Biomasseentwicklung der angebauten Fruchtarten, die Kohlenstoffdynamik und die direkten Lachgasemissionen abzubilden.

Im Rahmen der Modellierung wird versucht, einen Parametersatz zu ermitteln, der für alle Standorte und Varianten Gültigkeit besitzt. Die Validierung des Modells soll anhand von Daten aus abgeschlossenen Experimenten („Entwicklung und Vergleich von optimierten Anbausystemen für die landwirtschaftliche Produktion von Energiepflanzen unter den verschiedenen Standortbedingungen Deutschlands“)  erfolgen. Das kalibrierte Modell wird verwendet, um die Effekte von THG-Minderungsoptionen für Boden-Klima-Regionen Deutschlands zu untersuchen. Dabei wird der simulierte Zeithorizont so gewählt, dass eine finale Gleichgewichtseinstellung der Bodenkohlenstoffsequestrierung und Mineralisierung gewährleistet ist. Soweit möglich, wird der Einfluss unterschiedlicher Intensitäten einzelner Minderungsmaßnahmen auf CO₂-Flüsse sowie direkte und indirekte N₂O-Emissionen ausgewertet.

Ergebnisse

Das MONICA Modell war in der Lage, alle untersuchten Faktoren und Standorte zu simulieren. Abhängig von den untersuchten Größen und den Standortbedingungen, erreichte MONICA dabei eine uneinheitliche Modellgüte. Gute bis sehr gute Leistungen erzielte MONICA bei der Reproduktion der Bodenkohlenstoffveränderungen, der Bodentemperatur und des Bodenwassers. Weiterhin wurden nach der Kalibrierung die Erträge meist gut abgebildet. Schwächen zeigten sich in der Wiedergabe der Stickstoffdynamik. Eine Optimierung des N₂O-Submodells verbesserte die Simulation der jährlichen Stoffströme signifikant. MONICA erreichte insgesamt eine bessere Abbildungsgüte als herkömmliche THG-Bilanzierungsmethoden. Damit eignete sich das kalibrierte Modell, als Prognosewerkzeug für die Simulation der landwirtschaftlichen, feldbasierten THG-Emissionen unter sich verändernden Wetterbedingungen.

Die Untersuchung der Modellszenarien zeigte deutliche Unterschiede zwischen den betrachteten Anbaumethoden und geringfügige zwischen den Klimaszenarien. Als besonders ergiebige Methode zur Verbesserung der THG-Bilanz auf Ackerflächen erwiesen sich die Reduktion der N-Düngung und der Anbau und die Einarbeitung von Luzerne-Kleegras-Gemengen. Eine Reduktion der Düngung reduzierte dabei die direkten und die durch Nitrat-Auswaschung verursachten N₂O-Emissionen und erhöhte gleichzeitig CO₂ Verluste durch Humusabbau. Die Gründüngung erhöhte die Kohlenstoff-Sequestrierung.

Die räumliche Verteilung der THG-Potentiale ergab, dass die höchsten Einsparpotentiale in Mittel- und Süddeutschland erreicht werden können. Dies ist dem Umstand geschuldet, dass in diesen Landesteilen höhere Lachgasemissionen simuliert wurden als im norddeutschen Tiefland. Im Vergleich mit Humusänderungen wurde ein stärkerer Einfluss der N₂O-Emissionen auf die THG-Bilanz festgestellt. Das Potential direkter Treibhausgasemissionen ist dabei stark von Witterungsbedingungen und Bodeneigenschaften beeinflusst. Entscheidende Standortfaktoren für das Emissionsbildungspotential waren die Wasserkapazität, die Temperatur, der pH-Wert und der initiale Bodenkohlenstoffgehalt.

Der Effekt der Klimaszenarien auf die THG-Bilanz war nicht immer eindeutig. Tendenziell erhöhte sich der Abbau des Humusgehalts mit zunehmender Klimaerwärmung (RCP2.6, RCP4.5, RCP8.5) während sich die direkten Lachgasemissionen verringerten. 

Links und Downloads

https://www.thg-master.de/