Modelling of global crop production and resulting N2O emissions

Landwirtschaft spielt eine zentrale Rolle im Erdsystem. Sie trägt durch die Emission von CO2, CH4 und N2O zum Treibhauseffekt bei, kann Bodendegradation und Eutrophierung verursachen, regionale Wasserkreisläufe verändern und wird außerdem stark vom Klimawandel betroffen sein. Da all diese Prozesse durch die zugrunde liegenden Nährstoff- und Wasserflüsse eng miteinander verknüpft sind, sollten sie in einem konsistenten Modellansatz betrachtet werden. Dennoch haben Datenmangel und ungenügendes Prozessverständnis dies bis vor kurzem auf der globalen Skala verhindert. In dieser Arbeit wird die erste Version eines solchen konsistenten globalen Modellansatzes präsentiert, wobei der Schwerpunkt auf der Simulation landwirtschaftlicher Erträge und den resultierenden N2O-Emissionen liegt. Der Grund für diese Schwerpunktsetzung liegt darin, dass die korrekte Abbildung des Pflanzenwachstums eine essentielle Voraussetzung für die Simulation aller anderen Prozesse ist. Des weiteren sind aktuelle und potentielle landwirtschaftliche Erträge wichtige treibende Kräfte für Landnutzungsänderungen und werden stark vom Klimawandel betroffen sein. Den zweiten Schwerpunkt bildet die Abschätzung landwirtschaftlicher N2O-Emissionen, da bislang kein prozessbasiertes N2O-Modell auf der globalen Skala eingesetzt wurde. Als Grundlage für die globale Modellierung wurde das bestehende Agrarökosystemmodell Daycent gewählt. Neben der Schaffung der Simulationsumgebung wurden zunächst die benötigten globalen Datensätze für Bodenparameter, Klima und landwirtschaftliche Bewirtschaftung zusammengestellt. Da für Pflanzzeitpunkte bislang keine globale Datenbasis zur Verfügung steht, und diese sich mit dem Klimawandel ändern werden, wurde eine Routine zur Berechnung von Pflanzzeitpunkten entwickelt. Die Ergebnisse zeigen eine gute Übereinstimmung mit Anbaukalendern der FAO, die für einige Feldfrüchte und Länder verfügbar sind. Danach wurde das Daycent-Modell für die Ertragsberechnung von Weizen, Reis, Mais, Soja, Hirse, Hülsenfrüchten, Kartoffel, Cassava und Baumwolle parametrisiert und kalibriert. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass Daycent die wichtigsten Klima-, Boden- und Bewirtschaftungseffekte auf die Ertragsbildung korrekt abbildet. Berechnete Länderdurchschnitte stimmen gut mit Daten der FAO überein (R2 = 0.66 für Weizen, Reis und Mais; R2 = 0.32 für Soja), und räumliche Ertragsmuster entsprechen weitgehend der beobachteten Verteilung von Feldfrüchten und subnationalen Statistiken. Vor der Modellierung landwirtschaftlicher N2O-Emissionen mit dem Daycent-Modell stand eine statistische Analyse von N2O-und NO-Emissionsmessungen aus natürlichen und landwirtschaftlichen Ökosystemen. Die als signifikant identifizierten Parameter für N2O (Düngemenge, Bodenkohlenstoffgehalt, Boden-pH, Textur, Feldfrucht, Düngersorte) und NO (Düngemenge, Bodenstickstoffgehalt, Klima) entsprechen weitgehend den Ergebnissen einer früheren Analyse. Für Emissionen aus Böden unter natürlicher Vegetation, für die es bislang keine solche statistische Untersuchung gab, haben Bodenkohlenstoffgehalt, Boden-pH, Lagerungsdichte, Drainierung und Vegetationstyp einen signifikanten Einfluss auf die N2O-Emissionen, während NO-Emissionen signifikant von Bodenkohlenstoffgehalt und Vegetationstyp abhängen. Basierend auf den daraus entwickelten statistischen Modellen betragen die globalen Emissionen aus Ackerböden 3.3 Tg N/y für N2O, und 1.4 Tg N/y für NO. Solche statistischen Modelle sind nützlich, um Abschätzungen und Unsicherheitsbereiche von N2O- und NO-Emissionen basierend auf einer Vielzahl von Messungen zu berechnen. Die Dynamik des Bodenstickstoffs, insbesondere beeinflusst durch Pflanzenwachstum, Klimawandel und Landnutzungsänderung, kann allerdings nur durch die Anwendung von prozessorientierten Modellen berücksichtigt werden. Zur Modellierung von N2O-Emissionen mit dem Daycent-Modell wurde zunächst dessen Spurengasmodul durch eine detailliertere Berechnung von Nitrifikation und Denitrifikation und die Berücksichtigung von Frost-Auftau-Emissionen weiterentwickelt. Diese überarbeitete Modellversion wurde dann an N2O-Emissionsmessungen unter verschiedenen Klimaten und Feldfrüchten getestet. Sowohl die Dynamik als auch die Gesamtsummen der N2O-Emissionen werden befriedigend abgebildet, wobei die Modelleffizienz für monatliche Mittelwerte zwischen 0.1 und 0.66 für die meisten Standorte liegt. Basierend auf der überarbeiteten Modellversion wurden die N2O-Emissionen für die zuvor parametrisierten Feldfrüchte berechnet. Emissionsraten und feldfruchtspezifische Unterschiede stimmen weitgehend mit Literaturangaben überein. Düngemittelinduzierte Emissionen, die momentan vom IPCC mit 1.25 +/- 1% der eingesetzten Düngemenge abgeschätzt werden, reichen von 0.77% (Reis) bis 2.76% (Mais). Die Summe der berechneten Emissionen aus landwirtschaftlichen Böden beträgt für die Mitte der 1990er Jahre 2.1 Tg N2O-N/y, was mit den Abschätzungen aus anderen Studien übereinstimmt.

Bürgerschaftliches Engagement bei der Inventarisierung historischer Kulturlandschaftselemente

Die Arbeit beschäftigt sich mit der Frage, wie Bürger an der Inventarisierung historischer Kulturlandschaftselemente mitwirken können und welche Leistungen von ihnen erbracht werden können. Dabei wird der Fokus darauf gerichtet, ob mit einer optimalen organisatorischen und methodischen Herangehensweise ein Inventar historischer Kulturlandschaftselemente erstellt werden kann, das auch den Anforderungen für eine planerische Anwendung genügt. Forschungsschwerpunkte der Arbeit sind entsprechend die Inventarisierung historischer Kulturlandschaftselemente und die Anforderungen an die dabei erstellten Inventare sowie die Möglichkeiten für bürgerschaftliches Engagement bei der Inventarisierung. Darüber hinaus wird der Frage nachgegangen, ob mit dem bürgerschaftlichen Engagement bei der Inventarisierung ein sonstiger Mehrwert verbunden ist. Die Untersuchung wird anhand von Fallstudien durchgeführt. Empirische Grundlage sind acht ausgewählte Beispielprojekte, in denen Bürger an der Inventarisierung historischer Kulturlandschaftselemente mitwirken bzw. diese durchführen. Um einen möglichst großen Erfahrungspool zu erschließen wurden Fallbeispiele gewählt, die sich u. a. hinsichtlich der Rahmenbedingungen, der Organisationsstrukturen, dem Maß und der Art der Mitwirkung von Bürgern unterscheiden. Die detaillierte Analyse dieser Projekte und die Evaluierung der in ihrem Rahmen erstellten Inventare ist Hauptgegenstand dieser Arbeit und eine Grundlage für die Entwicklung von Empfehlungen für bürgerschaftliches Engagement bei der Inventarisierung historischer Kulturlandschaftselemente. Die Datenerhebung für die Analyse und Evaluierung erfolgt in erster Linie mittels Befragungen. Die Untersuchung zeigt, dass durch bürgerschaftliches Engagement wertvolle Beiträge zur Inventarisierung historischer Kulturlandschaftselemente geleistet werden können. In der Bevölkerung gibt es sowohl Interesse an der aktiven Mitwirkung als auch Kompetenzen, um unter Anleitung historische Kulturlandschaftselemente zu erfassen. Es müssen jedoch einige methodische Hinweise berücksichtigt und Maßnahmen getroffen werden, um Defizite, die sich durch die Erfassung durch Freiwillige ergeben können, zu vermeiden. So ist es bspw. zwingend notwendig, organisatorische Strukturen, Methoden und Standards vorzugeben, die Freiwilligen anzuleiten und ggf. zu unterstützen sowie die erhobenen Daten zu prüfen und in einem gewissen Umfang auch zu qualifizieren. Wenn die Inventarisierungen von Fachexperten aufgebaut und gesteuert werden, kann verhindert werden, dass die methodische Vorgehensweise von den fachlichen Anforderungen abweicht, und dass falsch erhobene und bewertete Daten verbreitet werden. Nicht von der Hand zu weisen ist der hohe Organisations- und Betreuungsaufwand sowie der Aufwand zur Prüfung und Nachbesserung der Daten, der mit der Beteiligung von Bürgern einhergeht. Doch selbst wenn die erfassten Daten der Bürger nur eine Grundlage bilden, die geprüft und für eine planerische Verwendung weiter qualifiziert werden muss, können durch die Einbindung von Bürgern wichtige Beiträge zum Erhalt der Kulturlandschaft geleistet werden. Neben der Datenerfassung werden zahlreiche Bürger für das Themenfeld Kulturlandschaft sensibilisiert, so dass die Anliegen zum Erhalt der Kulturlandschaft in weiten Teilen der Bevölkerung an Bedeutung gewinnen und verankert werden können. Um das Potenzial bürgerschaftlichen Engagements für die Inventarisierung historischer Kulturlandschaftselemente optimal nutzen zu können, und um möglichst bundes- oder landesweit einheitliche Inventare zu erstellen die Akzeptanz finden und für die Planung und weitere Anwendungszwecke genutzt werden, besteht noch Entwicklungs- und Abstimmungsbedarf. Manche Entwicklungen stehen nicht in Zusammenhang mit der Beteiligung von Bürgern, sondern sind generell notwendig, um einheitliche und möglichst landes- oder gar bundesweite Inventarisierungen historischer Kulturlandschaftselemente zu realisieren. Dies betrifft z. B. die Konsensfindung unter den Behörden und Fachstellen bezüglich methodischer Fragen und der Zuständigkeiten oder die Entwicklung eines geeigneten GIS-basierten Online-Inventars.