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.

Zur katalytischen Vergasung von Biomasse

Ziel der vorliegenden Arbeit ist das Studium des Einflusses mineralischer Stoffe bei dem Vergasungsprozess von Biomasse um Grundlagen zur Verbesserung der Technologie mit experimentellen Methoden zu schaffen. Als Katalysator wird der mineralische Anteil oder Asche, Dolomit und Braunkohlenkoks den Kaffeeschalen, Ölpalmschalen oder Buchenholz zu gemischt. Als Vergasungsmittel wird Wasserdampf benutzt. Als experimentellen Anlagen werden eine Thermowaage und ein Drehrohrreaktor eingesetzt. Zur Vergasung im Drehrohrreaktor wurden Versuche mit Gemischen aus Dolomit und Buchenholz durchgeführt. Variierte Versuchsparameter waren der Massestrom, die Wasserdampfkonzentration, die Temperatur, der Kalzinierungsgrad des Dolomits, die Kontaktzeit zwischen Gas und Partikeln und die Verweilzeit. Durch die Variation des Massestroms wurden unterschiedliche Schütthöhen erreicht, wodurch das Verhältnis zwischen aktiver und passiver Zone in der Schüttung verändert wird. Die Prozessvariablen wurden so eingestellt, dass längs der Reaktorlänge als Bewegungsformen Stürzen, Stürzen-Gleiten und diskontinuierliches Gleiten auftreten. Zur Variation der Kontaktzeit zwischen den Partikeln und der Gas-Atmosphäre wurde ein Einbau mit sechs ebenen Wendeblechen durchgeführt. Die Ergebnisse der Versuche belegen, dass der katalytische Einfluss des Dolomits einen bedeutenden Effekt bei der Verminderung der Teerbeladung der Produkte hat. Die Wendebleche führten zu einer Steigerung der Gaserzeugung unter bedeutender Verminderung des Teergehalts, besonders in Anwesenheit von Dolomit. In der gegenwärtigen Untersuchung wurde die neuronale Netz-Methode benutzt, um die Beziehungen zwischen den Variabeln, die den Prozess beeinflussen, zu analysieren.

Architektur und Lebensstil

Die Verbindung von Wohnarchitektur und Lebensstil der Bewohner wurde in der Architektur bisher kaum analysiert und systematisiert. Selbst in den klassischen Lehrbüchern der Gebäudelehre fehlt in der Regel eine definierte Auffassung des Lebensstils der Bewohner als Einflussparameter für Architektur. Es sind vorwiegend implizite, verkürzte oder nur sehr persönliche Vorstellungen vom Lebensstil zukünftiger Nutzer, die in die Architektur eingehen. Mit der vorliegenden Arbeit wird die Beziehung zwischen Lebensstil, Atmosphäre und architektonischem Programm im Kontext von Wohnarchitektur theoretisch, konzeptionell und an Hand eigener empirischer Analysen expliziert. Lebensstil wird dabei als Resultat eines Kräftefelds zwischen Individuum und Gesellschaft begriffen, also dem Zusammenwirken von individuellen und gesellschaftlichen Bedingungen, die sich in konkreten räumlichen Gegebenheiten vollziehen. Die theoretischen und empirischen Analysen erbrachten, dass eine Verknüpfung von Lebensstil und Architektur auf einer Ebene stattfinden sollte, die ihre inhaltliche Verschneidung erlaubt. Das heißt, dass weder „fertige“ Lebensstiltypen, wie in der soziologischen Lebensstilforschung üblich, noch Wohn(haus)typologien herangezogen werden sollten. Vielmehr sollten die Lebensstilparameter in ihre strukturellen Einzelteile zerlegt und dechiffriert werden, da fertige Typenbeschreibungen oft nur assoziative Verbindungen erzeugen und schwer in räumliche Dimensionen transferierbar sind. Die Entwicklung und Erforschung der Lebensstilparameter stellt im vorliegenden Ansatz die Voraussetzung zur Generierung von Wohnarchitektur unter dem Fokus des Lebensstils dar. Hierzu wurden sog. Integrative Lebensstil-Architektur-Parameter erarbeitet. Diese Parameter sind als Einzeldimensionen konzipiert und ermöglichen so eine freie Kombination und Schwerpunktsetzung durch den Architekten. Dadurch lässt sich Architektur im Sinne des Lebensstils beschreiben und analysieren. Neben der Analyse von Architektur an Hand der Parameter kann ihnen aber auch eine generative Gestaltungskraft in der Architektur zugesprochen werden, woraus eine zielgerichtetere Harmonisierung von Lebensstil und Architektur zu erwarten ist.

Biohöfe als Ausgangspunkte informeller Lernprozesse

Die Arbeit befasst sich mit der Frage nach dem Einfluss von Biohöfen auf die Menschen, die in ihrem Umfeld leben. Sie bietet Einblicke in die Zusammenhänge, in denen Nachbarn, Kollegen, Freunde oder Kunden einen Biohof gezielt oder eher zufällig nutzen, um hier informell Erfahrungen zu sammeln, die zu nachhaltigen Lebennstilen und Wirtschaftsweisen beitragen können. Im Rahmen von sechs Fallstudien wurden hierfür ökologisch wirtschaftende Landwirtschaftsbetriebe in Brandenburg im Hinblick auf die informelle Vermittlung von Wissen und Erfahrungen qualitativ untersucht. Mit Hilfe der Grounded Theory wird die Entstehung von informellen Lernprozessen im sozialen Umfeld der Höfe rekonstruiert. Neben dem empirischen Ausgangsmaterial erwiesen sich die handlungstheoretischen Konstrukte Lebenswelt, Habitus, Lebensstil und Lebensführung als hilfreicher Interpretationshintergrund. Mit diesen theoretischen Ansätzen werden die soziokulturellen Einflussfaktoren für Erfahren, Lernen und Vermitteln betont. Informelles Lernen wird so als ein sozial eingebetteter Prozess verstanden. Aus dieser, weniger subjektorientierten Perspektive treten dann Faktoren wie z.B. die Atmosphäre der Beziehung zwischen einer Person und dem Biohof, die sinnliche Wahrnehmung und die Art der Kommunikation in das Blickfeld der Analyse. In der Untersuchung wird eine Vielzahl von Verhaltensänderungen, Denkanstößen und Anregungen benannt, die im Zusammenhang mit den untersuchten Biohöfen geschildert wurden und die im Hinblick auf eine nachhaltige Entwicklung als förderlich eingeschätzt werden. Sie basieren, so der Ansatz der Arbeit, auf informellen Lernprozessen. Das zentrale Ergebnis der Fallanalysen ist eine strukturierte Zusammenstellung der im Untersuchungskontext relevanten Einflussfaktoren für erfolgreiches informelles Lernen. Als wesentliche erscheinen hierbei insbesondere zwei Variablen: zum einen hat sich das „wohlwollende Interesse“ als förderlich für das Zustandekommen und den Verlauf von informellen Lernprozessen herausgestellt. Mit diesem Begriff wird eine Einstellung dem Biohof gegenüber beschrieben, die ein Wohlgesonnensein, das Vertrauen und die Neugierde am Hof beinhaltet. Zum anderen scheint die „Erlebbarkeit“ der Angebote zur Wissensvermittlung für das informelle, habitus- und lebensstilbezogene Lernen bedeutsam zu sein. Ergänzend zu dem auf die lernenden Subjekte gerichteten Fokus wurden in der Forschungsarbeit auch Beweggründe der Betriebsleiter, für die jeweils praktizierte Wissens- und Erfahrungsvermittlung herausgearbeitet. Die Betrachtung wird durch die Zusammenstellung von Schwierigkeiten und Hindernissen abgerundet, die dem informellen Lernen vom Biohof entgegen stehen können. Ausgehend von den fallbezogenen Ergebnissen liefert die Arbeit damit eine Grundlage, um über die Bedeutung von Lernfeldern, die durch Biolandwirte, aber auch andere Akteursgruppen bereit gestellt werden, nachzudenken und um ihre gesellschaftliche Relevanz zu diskutieren.

A Modeling Analysis of Changing Global Land Use as affected by Changing Demands for Wood Products

The 21st century has brought new challenges for forest management at a time when globalization in world trade is increasing and global climate change is becoming increasingly apparent. In addition to various goods and services like food, feed, timber or biofuels being provided to humans, forest ecosystems are a large store of terrestrial carbon and account for a major part of the carbon exchange between the atmosphere and the land surface. Depending on the stage of the ecosystems and/or management regimes, forests can be either sinks, or sources of carbon. At the global scale, rapid economic development and a growing world population have raised much concern over the use of natural resources, especially forest resources. The challenging question is how can the global demands for forest commodities be satisfied in an increasingly globalised economy, and where could they potentially be produced? For this purpose, wood demand estimates need to be integrated in a framework, which is able to adequately handle the competition for land between major land-use options such as residential land or agricultural land. This thesis is organised in accordance with the requirements to integrate the simulation of forest changes based on wood extraction in an existing framework for global land-use modelling called LandSHIFT. Accordingly, the following neuralgic points for research have been identified: (1) a review of existing global-scale economic forest sector models (2) simulation of global wood production under selected scenarios (3) simulation of global vegetation carbon yields and (4) the implementation of a land-use allocation procedure to simulate the impact of wood extraction on forest land-cover. Modelling the spatial dynamics of forests on the global scale requires two important inputs: (1) simulated long-term wood demand data to determine future roundwood harvests in each country and (2) the changes in the spatial distribution of woody biomass stocks to determine how much of the resource is available to satisfy the simulated wood demands. First, three global timber market models are reviewed and compared in order to select a suitable economic model to generate wood demand scenario data for the forest sector in LandSHIFT. The comparison indicates that the ‘Global Forest Products Model’ (GFPM) is most suitable for obtaining projections on future roundwood harvests for further study with the LandSHIFT forest sector. Accordingly, the GFPM is adapted and applied to simulate wood demands for the global forestry sector conditional on selected scenarios from the Millennium Ecosystem Assessment and the Global Environmental Outlook until 2050. Secondly, the Lund-Potsdam-Jena (LPJ) dynamic global vegetation model is utilized to simulate the change in potential vegetation carbon stocks for the forested locations in LandSHIFT. The LPJ data is used in collaboration with spatially explicit forest inventory data on aboveground biomass to allocate the demands for raw forest products and identify locations of deforestation. Using the previous results as an input, a methodology to simulate the spatial dynamics of forests based on wood extraction is developed within the LandSHIFT framework. The land-use allocation procedure specified in the module translates the country level demands for forest products into woody biomass requirements for forest areas, and allocates these on a five arc minute grid. In a first version, the model assumes only actual conditions through the entire study period and does not explicitly address forest age structure. Although the module is in a very preliminary stage of development, it already captures the effects of important drivers of land-use change like cropland and urban expansion. As a first plausibility test, the module performance is tested under three forest management scenarios. The module succeeds in responding to changing inputs in an expected and consistent manner. The entire methodology is applied in an exemplary scenario analysis for India. A couple of future research priorities need to be addressed, particularly the incorporation of plantation establishments; issue of age structure dynamics; as well as the implementation of a new technology change factor in the GFPM which can allow the specification of substituting raw wood products (especially fuelwood) by other non-wood products.