Räumliche Modellierung der Dynamik von Landnutzung in Hessen und ihrer Wirkung auf die biologische Kohlenstoffspeicherung - Entwicklung eines GIS-basierten Modellsystems

Die gegenwärtige Entwicklung der internationalen Klimapolitik verlangt von Deutschland eine Reduktion seiner Treibhausgasemissionen. Wichtigstes Treibhausgas ist Kohlendioxid, das durch die Verbrennung fossiler Energieträger in die Atmosphäre freigesetzt wird. Die Reduktionsziele können prinzipiell durch eine Verminderung der Emissionen sowie durch die Schaffung von Kohlenstoffsenken erreicht werden. Senken beschreiben dabei die biologische Speicherung von Kohlenstoff in Böden und Wäldern. Eine wichtige Einflussgröße auf diese Prozesse stellt die räumliche Dynamik der Landnutzung einer Region dar. In dieser Arbeit wird das Modellsystem HILLS entwickelt und zur Simulation dieser komplexen Wirkbeziehungen im Bundesland Hessen genutzt. Ziel ist es, mit HILLS über eine Analyse des aktuellen Zustands hinaus auch Szenarien über Wege der zukünftigen regionalen Entwicklung von Landnutzung und ihrer Wirkung auf den Kohlenstoffhaushalt bis 2020 zu untersuchen. Für die Abbildung der räumlichen und zeitlichen Dynamik von Landnutzung in Hessen wird das Modell LUCHesse entwickelt. Seine Aufgabe ist die Simulation der relevanten Prozesse auf einem 1 km2 Raster, wobei die Raten der Änderung exogen als Flächentrends auf Ebene der hessischen Landkreise vorgegeben werden. LUCHesse besteht aus Teilmodellen für die Prozesse: (A) Ausbreitung von Siedlungs- und Gewerbefläche, (B) Strukturwandel im Agrarsektor sowie (C) Neuanlage von Waldflächen (Aufforstung). Jedes Teilmodell umfasst Methoden zur Bewertung der Standorteignung der Rasterzellen für unterschiedliche Landnutzungsklassen und zur Zuordnung der Trendvorgaben zu solchen Rasterzellen, die jeweils am besten für eine Landnutzungsklasse geeignet sind. Eine Validierung der Teilmodelle erfolgt anhand von statistischen Daten für den Zeitraum von 1990 bis 2000. Als Ergebnis eines Simulationslaufs werden für diskrete Zeitschritte digitale Karten der Landnutzugsverteilung in Hessen erzeugt. Zur Simulation der Kohlenstoffspeicherung wird eine modifizierte Version des Ökosystemmodells Century entwickelt (GIS-Century). Sie erlaubt einen gesteuerten Simulationslauf in Jahresschritten und unterstützt die Integration des Modells als Komponente in das HILLS Modellsystem. Es werden verschiedene Anwendungsschemata für GIS-Century entwickelt, mit denen die Wirkung der Stilllegung von Ackerflächen, der Aufforstung sowie der Bewirtschaftung bereits bestehender Wälder auf die Kohlenstoffspeicherung untersucht werden kann. Eine Validierung des Modells und der Anwendungsschemata erfolgt anhand von Feld- und Literaturdaten. HILLS implementiert eine sequentielle Kopplung von LUCHesse mit GIS-Century. Die räumliche Kopplung geschieht dabei auf dem 1 km2 Raster, die zeitliche Kopplung über die Einführung eines Landnutzungsvektors, der die Beschreibung der Landnutzungsänderung einer Rasterzelle während des Simulationszeitraums enthält. Außerdem integriert HILLS beide Modelle über ein dienste- und datenbankorientiertes Konzept in ein Geografisches Informationssystem (GIS). Auf diesem Wege können die GIS-Funktionen zur räumlichen Datenhaltung und Datenverarbeitung genutzt werden. Als Anwendung des Modellsystems wird ein Referenzszenario für Hessen mit dem Zeithorizont 2020 berechnet. Das Szenario setzt im Agrarsektor eine Umsetzung der AGENDA 2000 Politik voraus, die in großem Maße zu Stilllegung von Ackerflächen führt, während für den Bereich Siedlung und Gewerbe sowie Aufforstung die aktuellen Trends der Flächenausdehnung fortgeschrieben werden. Mit HILLS ist es nun möglich, die Wirkung dieser Landnutzungsänderungen auf die biologische Kohlenstoffspeicherung zu quantifizieren. Während die Ausdehnung von Siedlungsflächen als Kohlenstoffquelle identifiziert werden kann (37 kt C/a), findet sich die wichtigste Senke in der Bewirtschaftung bestehender Waldflächen (794 kt C/a). Weiterhin führen die Stilllegung von Ackerfläche (26 kt C/a) sowie Aufforstung (29 kt C/a) zu einer zusätzlichen Speicherung von Kohlenstoff. Für die Kohlenstoffspeicherung in Böden zeigen die Simulationsexperimente sehr klar, dass diese Senke nur von beschränkter Dauer ist.

Streu- und Feuchtwiesen im Kempter Wald

Der Kempter Wald ist aufgrund seiner großflächigen prioritären Lebensräume - den Hoch- und Übergangsmooren - aber auch den landesweit selten gewordenen und durch Nutzungsaufgabe bedrohten Streuwiesen und Flachmoorgesellschaften ein Landschaftsraum von herausragender naturschutzfachlicher Bedeutung. Ausgehend von der nach wie vor aktuellen Debatte um die Schutzgebietsausweisung im Kempter Wald wurde auf dem Gebiet der Marktgemeinde Unterthingau und der Gemeinde Kraftisried die vorhandene Grünlandvegetation auf Feuchtstandorten im Kempter Wald vegetationskundlich erfasst mit der Absicht, auf der Grundlage dieser Untersuchung exemplarisch ein Entwicklungskonzept für die Streu- und Feuchtwiesen zu erarbeiten. Erfasst wurden auf der Grundlage von insgesamt über 170 Vegetationsaufnahmen nach BRAUN-BLANQUET (1965) neben mehrschnittigem Wirtschaftsgrünland auf Feuchtstandorten ein- und zweischnittig genutzte Bachdistel-Wiesen, Pfeifengraswiesen in zwei unterschiedlichen Ausbildungen, Flachmoorgesellschaften auf eher basischen Standorten – das Davallseggen-Quellmoor – sowie im Kontaktbereich der Moore gelegene Kleinseggenrieder auf bodensauren Standorten - der Herzblatt-Braunseggensumpf. Sowohl in den Pfeifengraswiesen als auch in den Kleinseggensümpfen kennzeichnen Blöcke mit Fettwiesenarten in den Vegetationstabellen einen streuwiesenuntypischen Frühschnitt der Flächen im Sommer. Ein Grundkennartengerüst der jeweiligen Gesellschaften ist aber trotzdem bislang noch erhalten geblieben. Im zweiten Teil der Untersuchung wird ein Konzept für eine zukünftige Entwicklung der Streu- und Feuchtwiesennutzung vorgestellt. Das Entwicklungskonzept greift den hohen Stellenwert der offenen Flächen für die Naherholung und den Tourismus auf und versucht auf der Grundlage der beiden Bewertungsfaktoren „Arten- und Biotopschutz“ und „Erholungsnutzung“ Prioritäten für eine zukünftige Entwicklung herauszuarbeiten. So wird im Bereich der Haupterschließungswege der Erhalt der artenreichen Streu- und Feuchtwiesen als vorrangig erachtet. In abgelegenen, z. T. von Wald eingeschlossenen Streuwiesen oder im Randbereich der Hochmoore, kann dagegen für den Fall, dass eine Fortsetzung der Bewirtschaftung aufgrund ausbleibender Fördermittel gefährdet ist, eine natürliche Sukzession zugelassen werden. Isoliert inmitten intensiv genutzter Grünlandflächen gelegene Streuwiesen können sich bei Nutzungsaufgabe zu Feuchtwäldchen oder Feldgehölzen weiterentwickeln. Hinsichtlich der Streuwiesenpflege sollten die Schnittzeitpunkte insgesamt flexibler gehandhabt werden. Nasse Kleinseggenrieder können auch durch eine Mahd in größeren Zeitabständen von 2 bis 5 Jahren erhalten werden. In Randbereichen der Hochmoore sollte in Streuwiesenbrachen in größeren Zeitabständen (10 bis 20 Jahre) auflaufender Gehölzbestand entfernt werden um den Offenlandcharakter für bestimmte Tierartengruppen zu erhalten. In der Beweidung der Streuwiesen wird für Gebiete wie dem Kempter Wald keine realistische Alternative gesehen. Bei der großen Anzahl an Eigentümern und Pächtern ist die Organisation der Beweidung äußerst schwierig. Die Offenhaltung durch Beweidung erfordert außerdem eine gezielte Weideführung sowie die Nachmahd nicht abgefressener Nassbereiche. Eine Kosteneinsparung durch Beweidung erscheint daher eher unwahrscheinlich. Als ergänzende Maßnahmen werden für brachfallende Streuwiesen die Anlage von Kleingewässern sowie der Rückbau von Entwässerungsgräben vorgeschlagen.

Relativistic ab initio calculations for ion-atom collisions

Within the independent particle model we solve the time-dependent single-particle equation using ab initio SCF-DIRAC-FOCK-SLATER wavefunctions as a basis. To reinstate the many-particle aspect of the collision system we use the inclusive probability formalism to answer experimental questions. As an example we show an application to the case of S{^15+} on Ar where experimental data on the K-K charge transfer are available for a wide range of impact energies from 4.7 to 90 MeV. Our molecular adiabatic calculations and the evaluation using the inclusive probability formalism show good results in the low energy range from 4.7 to 16 MeV impact energy.

Retardation effects in ion-ion collisons [collisions]

The modification of the two center screened electronic Coulomb potential due to relativistic kinematical effects is investigated in the Coulomb gauge. Both nuclear and electronic charges were approximated by Gaussian distributions. For ion velocities v/c =0.1 the effect may roughly be approximated by a 0.1% increase in the effective strength for the monopole term of the two center potential. Thus for ion kinetic energies not exceeding a few MeV/nucleon this relativistic contribution induces small effects on the binding energy of the 1 \omega-electrons except for super critical charges.

An attempt on the calculation of relativistic potential energy curves: noble gas difluorides

Total energy SCF calculations were performed for noble gas difluorides in a relativistic procedure and compared with analogous non-relativistic calculations. The discrete variational method with numerical basis functions was used. Rather smooth potential energy curves could be obtained. The theoretical Kr - F and Xe - F bond distances were calculated to be 3.5 a.u. and 3.6 a.u. which should be compared with the experimental values of 3.54 a.u. and 3.7 a.u. Although the dissociation energies are off by a factor of about five it was found that ArF_2 may be a stable molecule. Theoretical ionization energies for the outer levels reproduce the experimental values for KrF_2 and XeF_2 to within 2 eV.

{2p_\pi}-{2p_\sigma} crossing in heavy symmetric ion-atom collisions: I. Level structure

Ab initio self-consistent DFS calculations are performed for five different symmetric atomic systems from Ar-Ar to Pb-Pb. The level structure for the {2p_\pi}-{2p_\sigma} crossing as function of the united atomic charge Z_u is studied and interpreted. Manybody effects, spin-orbit splitting, direct relativistic effects as well as indirect relativistic effects are differently important for different Z_u. For the I-I system a comparison with other calculations is given.

Influence of the electronic shell structure on the elastic scattering of heavy ions

The interatomic potential of the system I - I at intermediate and small distances is calculated from atomic DFS electron densities within a statistical model. Structures in the potential, due to the electronic shells, are investigated. Calculations of the elastic differential scattering cross section for small angles and several keV impact energies show a detailed peak pattern which can be correlated to individual electronic shell interaction.

Electronic structure calculations of small AI_n (n = 2 - 8) clusters

The electronic states of small AI_n (n = 2 - 8) clusters have been calculated with a relativistic ab-initio MOLCAO Dirac-Fock-Slater method using numerical atomic DFS wave-functions. The excitation energies were obtained from a ground state calculation of neutral clusters, and in addition from negative clusters charged by half an electron in order to account for part of the relaxation. These energies are compared with experimental photoelectron spectra.

Interpretation of quasimolecular L X-rays in heavy-ion collisions

Using a relativistic selfconsistent correlation diagram a first interpretation of the shape and position of L MO X-rays is given within a quasi-adiabatic model.