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.

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.