Modeling the interplay between land use, bioenergy production and climate change

Land use has become a force of global importance, considering that 34% of the Earth’s ice-free surface was covered by croplands or pastures in 2000. The expected increase in global human population together with eminent climate change and associated search for energy sources other than fossil fuels can, through land-use and land-cover changes (LUCC), increase the pressure on nature’s resources, further degrade ecosystem services, and disrupt other planetary systems of key importance to humanity. This thesis presents four modeling studies on the interplay between LUCC, increased production of biofuels and climate change in four selected world regions. In the first study case two new crop types (sugarcane and jatropha) are parameterized in the LPJ for managed Lands dynamic global vegetation model for calculation of their potential productivity. Country-wide spatial variation in the yields of sugarcane and jatropha incurs into substantially different land requirements to meet the biofuel production targets for 2015 in Brazil and India, depending on the location of plantations. Particularly the average land requirements for jatropha in India are considerably higher than previously estimated. These findings indicate that crop zoning is important to avoid excessive LUCC. In the second study case the LandSHIFT model of land-use and land-cover changes is combined with life cycle assessments to investigate the occurrence and extent of biofuel-driven indirect land-use changes (ILUC) in Brazil by 2020. The results show that Brazilian biofuels can indeed cause considerable ILUC, especially by pushing the rangeland frontier into the Amazonian forests. The carbon debt caused by such ILUC would result in no carbon savings (from using plant-based ethanol and biodiesel instead of fossil fuels) before 44 years for sugarcane ethanol and 246 years for soybean biodiesel. The intensification of livestock grazing could avoid such ILUC. We argue that such an intensification of livestock should be supported by the Brazilian biofuel sector, based on the sector’s own interest in minimizing carbon emissions. In the third study there is the development of a new method for crop allocation in LandSHIFT, as influenced by the occurrence and capacity of specific infrastructure units. The method is exemplarily applied in a first assessment of the potential availability of land for biogas production in Germany. The results indicate that Germany has enough land to fulfill virtually all (90 to 98%) its current biogas plant capacity with only cultivated feedstocks. Biogas plants located in South and Southwestern (North and Northeastern) Germany might face more (less) difficulties to fulfill their capacities with cultivated feedstocks, considering that feedstock transport distance to plants is a crucial issue for biogas production. In the fourth study an adapted version of LandSHIFT is used to assess the impacts of contrasting scenarios of climate change and conservation targets on land use in the Brazilian Amazon. Model results show that severe climate change in some regions by 2050 can shift the deforestation frontier to areas that would experience low levels of human intervention under mild climate change (such as the western Amazon forests or parts of the Cerrado savannas). Halting deforestation of the Amazon and of the Brazilian Cerrado would require either a reduction in the production of meat or an intensification of livestock grazing in the region. Such findings point out the need for an integrated/multicisciplinary plan for adaptation to climate change in the Amazon. The overall conclusions of this thesis are that (i) biofuels must be analyzed and planned carefully in order to effectively reduce carbon emissions; (ii) climate change can have considerable impacts on the location and extent of LUCC; and (iii) intensification of grazing livestock represents a promising venue for minimizing the impacts of future land-use and land-cover changes in Brazil.

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.

Erneuerbare Energien im Verbund mit Hochleistungs-Bleiakkumulatoren zur Bereitstellung von Spitzenleistung - am Beispiel von Windkraftwerken im 20 kV-Versorgungsnetz der CEGEDEL / Luxemburg -

Die wachsende Weltbevölkerung bedingt einen höheren Energiebedarf, dies jedoch unter der Beachtung der nachhaltigen Entwicklung. Die derzeitige zentrale Versorgung mit elektrischer Energie wird durch wenige Erzeugungsanlagen auf der Basis von fossilen Primärenergieträgern und Kernenergie bestimmt, die die räumlich verteilten Verbraucher zuverlässig und wirtschaftlich über ein strukturiertes Versorgungssystem beliefert. In den Elektrizitätsversorgungsnetzen sind keine nennenswerten Speicherkapazitäten vorhanden, deshalb muss die von den Verbrauchern angeforderte Energie resp. Leistung jederzeit von den Kraftwerken gedeckt werden. Bedingt durch die Liberalisierung der Energiemärkte und die geforderte Verringerung der Energieabhängigkeit Luxemburgs, unterliegt die Versorgung einem Wandel hin zu mehr Energieeffizienz und erhöhter Nutzung der dargebotsabhängigen Energiequellen. Die Speicherung der aus der Windkraft erzeugten elektrischen Energie, wird in den Hochleistungs-Bleiakkumulatoren, errichtet im ländlichen Raum in der Nähe der Windkraftwerke, eingespeichert. Die zeitversetzte Einspeisung dieser gespeicherten elektrischen Energie in Form von veredelter elektrischer Leistung während den Lastspitzen in das 20 kV-Versorgungsnetz der CEGEDEL stellt die Innovation in der luxemburgischen Elektrizitätsversorgung dar. Die Betrachtungen beschränken sich somit auf die regionale, relativ kleinräumige Einbindung der Windkraft in die elektrische Energieversorgung des Großherzogtums Luxemburg. Die Integration der Windkraft im Regionalbereich wird in den Vordergrund der Untersuchung gerückt. Überregionale Ausgleichseffekte durch Hochspannungsleitungen der 230/400 kV-Systeme werden außer Acht gelassen. Durch die verbrauchernahe Bereitstellung von elektrischer Spitzenleistung vermindern sich ebenfalls die Übertragungskosten aus den entfernten Spitzenlastkraftwerken, der Ausbau von Kraftwerkskapazitäten kann in die Zukunft verschoben werden. Die Emission von Treibhausgasen in thermischen Kraftwerken wird zum Teil reduziert. Die Berechnungen der Wirtschaftlichkeit von Hybridanlagen, zusammengesetzt aus den Windkraftwerken und den Hochleistungs-Bleiakkumulatoren bringen weitere Informationen zum Einsatz dieser dezentralen Speichern, als Partner der nachhaltigen Energieversorgung im ländlichen Raum. Die untersuchte Einspeisung von erneuerbarer Spitzenleistung lässt sich auch in die Entwicklungsländer übertragen, welche nicht über zentrale Kraftwerkskapazitäten und Verteilungsnetze verfügen.

Effects of different tillage treatments on labile soil organic matter pools and stabilization processes

An improved understanding of soil organic carbon (Corg) dynamics in interaction with the mechanisms of soil structure formation is important in terms of sustainable agriculture and reduction of environmental costs of agricultural ecosystems. However, information on physical and chemical processes influencing formation and stabilization of water stable aggregates in association with Corg sequestration is scarce. Long term soil experiments are important in evaluating open questions about management induced effects on soil Corg dynamics in interaction with soil structure formation. The objectives of the present thesis were: (i) to determine the long term impacts of different tillage treatments on the interaction between macro aggregation (>250 µm) and light fraction (LF) distribution and on C sequestration in plots differing in soil texture and climatic conditions. (ii) to determine the impact of different tillage treatments on temporal changes in the size distribution of water stable aggregates and on macro aggregate turnover. (iii) to evaluate the macro aggregate rebuilding in soils with varying initial Corg contents, organic matter (OM) amendments and clay contents in a short term incubation experiment. Soil samples were taken in 0-5 cm, 5-25 cm and 25-40 cm depth from up to four commercially used fields located in arable loess regions of eastern and southern Germany after 18-25 years of different tillage treatments with almost identical experimental setups per site. At each site, one large field with spatially homogenous soil properties was divided into three plots. One of the following three tillage treatments was carried in each plot: (i) Conventional tillage (CT) with annual mouldboard ploughing to 25-30 cm (ii) mulch tillage (MT) with a cultivator or disc harrow 10-15 cm deep, and (iii) no tillage (NT) with direct drilling. The crop rotation at each site consisted of sugar beet (Beta vulgaris L.) - winter wheat (Triticum aestivum L.) - winter wheat. Crop residues were left on the field and crop management was carried out following the regional standards of agricultural practice. To investigate the above mentioned research objectives, three experiments were conducted: Experiment (i) was performed with soils sampled from four sites in April 2010 (wheat stand). Experiment (ii) was conducted with soils sampled from three sites in April 2010, September 2011 (after harvest or sugar beet stand), November 2011 (after tillage) and April 2012 (bare soil or wheat stand). An incubation study (experiment (iii)) was performed with soil sampled from one site in April 2010. Based on the aforementioned research objectives and experiments the main findings were: (i) Consistent results were found between the four long term tillage fields, varying in texture and climatic conditions. Correlation analysis of the yields of macro aggregate against the yields of free LF ( ≤1.8 g cm-3) and occluded LF, respectively, suggested that the effective litter translocation in higher soil depths and higher litter input under CT and MT compensated in the long term the higher physical impact by tillage equipment than under NT. The Corg stocks (kg Corg m−2) in 522 kg soil, based on the equivalent soil mass approach (CT: 0–40 cm, MT: 0–38 cm, NT: 0–36 cm) increased in the order CT (5.2) = NT (5.2) < MT (5.7). Significantly (p ≤ 0.05) highest Corg stocks under MT were probably a result of high crop yields in combination with reduced physical tillage impact and effective litter incorporation, resulting in a Corg sequestration rate of 31 g C-2 m-2 yr-1. (ii) Significantly higher yields of macro aggregates (g kg-2 soil) under NT (732-777) and MT (680-726) than under CT (542-631) were generally restricted to the 0-5 cm sampling depth for all sampling dates. Temporal changes on aggregate size distribution were only small and no tillage induced net effect was detectable. Thus, we assume that the physical impact by tillage equipment was only small or the impact was compensated by a higher soil mixing and effective litter translocation into higher soil depths under CT, which probably resulted in a high re aggregation. (iii) The short term incubation study showed that macro aggregate yields (g kg-2 soil) were higher after 28 days in soils receiving OM (121.4-363.0) than in the control soils (22.0-52.0), accompanied by higher contents of microbial biomass carbon and ergosterol. Highest soil respiration rates after OM amendments within the first three days of incubation indicated that macro aggregate formation is a fast process. Most of the rebuilt macro aggregates were formed within the first seven days of incubation (42-75%). Nevertheless, it was ongoing throughout the entire 28 days of incubation, which was indicated by higher soil respiration rates at the end of the incubation period in OM amended soils than in the control soils. At the same time, decreasing carbon contents within macro aggregates over time indicated that newly occluded OM within the rebuilt macro aggregates served as Corg source for microbial biomass. The different clay contents played only minor role in macro aggregate formation under the particular conditions of the incubation study. Overall, no net changes on macro aggregation were identified in the short term. Furthermore, no indications for an effective Corg sequestration on the long term under NT in comparison to CT were found. The interaction of soil disturbance, litter distribution and the fast re aggregation suggested that a distinct steady state per tillage treatment in terms of soil aggregation was established. However, continuous application of MT with a combination of reduced physical tillage impact and effective litter incorporation may offer some potential in improving the soil structure and may therefore prevent incorporated LF from rapid decomposition and result in a higher C sequestration on the long term.