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Treibhausgase in der Landwirtschaft eine
Einführung Dr. Jens Leifeld Eidgenössische
Forschungsanstalt für Agarökologie und Landbau,
FAL Zürich-Reckenholz
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1. Grundlagen Klimakonvention, Kyoto-Protokoll,
Wirkungsweise Treibhausgase, Global Warming
Potentials, Global Change, Globale
Treibhausgasflüsse 2. Entstehung von
Treibhausgasen in der Landwirtschaft
Redoxchemie, Entstehung und Verbrauch von N2O
und CH4 Corg-Gehalte landwirtschaftlicher
Böden/Sequestrierung Treibhausgasbilanzen
landwirtschaftlicher Flächen 3.
Treibhausgasbilanz der Schweizer Landwirtschaft
Treibhausgasbilanz, landwirtschaftlicher
Beitrag, zeitliche Entwicklungen,
Reduktionsstrategien
3
Grundlagen I. UNFCCC
United Nations Framework Convention on Climate
Change UNFCCC (http//unfccc.int/)
1992 Acknowledging that change in the Earth's
climate and its adverse effects are a common
concern of humankind, Concerned that human
activities have been substantially increasing the
atmospheric concentrations of greenhouse gases,
that these increases enhance the natural
greenhouse effect, and that this will result on
average in an additional warming of the Earth's
surface and atmosphere , Determined to protect
the climate system ..., Have agreed as
follows ... to achieve ... stabilization of
greenhouse gas concentrations in the atmosphere
at a level that would prevent dangerous
anthropogenic interference with the climate
system. Such a level should be achieved within a
time-frame sufficient to allow ecosystems to
adapt naturally to climate change, to ensure that
food production is not threatened and to enable
economic development to proceed in a sustainable
manner.
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Grundlagen I. UNFCCC
Die Vertragsparteien der UNFCCC werden
wissenschaftlich unterstützt vom
Intergovernmental Panel on Climate Change
IPCC The IPCC has continued to provide
scientific, technical and socio-economic advice
to the world community, and in particular to the
Parties to the UNFCCC through its periodic
assessment reports on the state of knowledge of
causes of climate change, its potential
environmental and socio-economic impacts and
options for addressing it. http//www.ipcc.ch/
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Grundlagen I. Kyoto-Protokoll
Kyoto-Protokoll, 1997 (I) 1. Each Party in
achieving its quantified emission limitation and
reduction commitments under Article 3, in order
to promote sustainable development, shall
implement and/or further elaborate policies and
measures in accordance with its national
circumstances, such as (i) Enhancement of
energy efficiency in relevant sectors of the
national economy (ii) Protection and
enhancement of sinks and reservoirs of greenhouse
gases not controlled by the Montreal Protocol,
taking into account its commitments under
relevant international environmental agreements
promotion of sustainable forest management
practices, afforestation and reforestation
(iii) Promotion of sustainable forms of
agriculture in light of climate change
considerations (iv) Research on, and promotion,
development and increased use of, new and
renewable forms of energy, of carbon dioxide
sequestration technologies and of advanced and
innovative environmentally sound technologies
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Grundlagen I. Kyoto-Protokoll
Kyoto-Protokoll, 1997 (II) Instrumente Sinks and
Reservoirs Article 3.3 The net changes in
greenhouse gas emissions by sources and removals
by sinks resulting from direct human-induced
land-use change and forestry activities, limited
to afforestation, reforestation and deforestation
since 1990, measured as verifiable changes in
carbon stocks in each commitment period, shall be
used to meet the commitments under this Article
of each Party included in Annex I. Article 3.4
each Party included in Annex I shall provide
... data to establish its level of carbon stocks
in 1990 and to enable an estimate to be made of
its changes in carbon stocks in subsequent years.
The Conference of the Parties ... shall decide
upon modalities, rules and guidelines as to how,
and which, additional human-induced activities
related to changes in greenhouse gas emissions by
sources and removals by sinks in the agricultural
soils and the land-use change and forestry
categories shall be added to, or subtracted from,
the assigned amounts for Parties included in
Annex I
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Grundlagen I. Kyoto-Protokoll
Nachfolgekonferenzen Bonn und Marrakesh Forest
management, cropland management, grazing land
management, and revegetation area are eligible
land-use, land-use change and forestry activities
under 3.4 of the Kyoto Protocol. A Party have to
demonstrate, that such activities have occurred
since 1990 and are human-induced. Compensation of
emissions by forest management under 3.4 is
limited. Accounting excludes removals resulting
from elevated CO2, indirect N deposition, dynamic
effects of age structure. Accountable sources and
sinks 3.4 Sum of sources and sinks in the
commitment period minus sources and sinks in 1990
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Grundlagen I. Kyoto-Verpflichtung Schweiz
Verpflichtungen der Schweiz Mit der
Ratifizierung des Kyoto-Protokolls verpflichtet
sich die Schweiz, für die erste
Verpflichtungsperiode 2008-2012 zur Reduktion der
Treibhausgasemissionen um 8 relativ zu 1990
(base year) Bruttoemissionen 1990 53 Mt CO2 ?
4.3 Mt CO2 pro Jahr Vermeidungsverpflicht
ung 2008-2012 CAP 1st. Commitment period,
forest management Article 3.4 CH 0.5 Mt C ? 1.8
Mt CO2
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Grundlagen II. Treibhausgase Strahlungsbilanz der
Erde (W m-2)
atmosphere
surface
342 107 235 24 78 390 492 - 324 168
168 67 235
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Grundlagen II. Treibhausgase Radiative Forcing
und Global Warming Potenials GWP
Radiative Forcing Change in net (down minus up)
irradiance at the tropopause Für CO2 RF
5.35ln(C/C0) W m-2 RF 5.35ln(365/278)
1.46 0.017 W m-2 ppmv-1 Global Warming
Potential A measure of the relative radiative
effect of a given substance compared to another,
integrated over a chosen time horizon. Ein
relatives Mass für die Treibhauswirksamkeit von 1
kg einer Substanz relativ zu 1 kg CO2.
TH time horizon ax radiative forcing due to one
unit increase in atmospheric abundance (W m-2
kg-1) ar radiative forcing of
CO2 x(t) time-dependent decay of the
substance r(t) time-dependent decay of the
reference CO2
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Grundlagen II. Treibhausgase GWP und mittlere
Verweildauer der Kyoto-Treihausgase
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Grundlagen III. Treibhausgase und Klima Global
Change
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Grundlagen III. Treibhausgase und Klima CO2 und
Temperatur
? Parallelität atmosphärische CO2-Konzentration
und Temperaturschwankung
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Grundlagen III. Treibhausgase und Klima CO2
? Heutige atmosphärische CO2-Konzentration höher
als in den letzten 400000 a.
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Grundlagen III. Treibhausgase und
Klima Temperatur Schweiz
? Zunehmende Temperaturanomalie
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Grundlagen III. Treibhausgase und Klima Methan
und Lachgaskonzentrationen
? Ähnlicher Trend für Methan- und
Lachgaskonzentrationen
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Grundlagen IV. Quellen und Senken CO2-Budget
Global
Average annual budget of CO2 for 1980 to 1989 and
for 1989 to 1998 (in Gt C a-1) (? 90 confidence
interval) IPCC (2000)
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Grundlagen IV. Quellen und Senken C-Kreislauf
Global (Gt)
Rot Anthropogene Flüsse/Pooländerungen Schwarz
Natürliche Flüsse/präindustrielle Pools
(Sarmiento and Gruber, 2002)
19
Grundlagen IV. Quellen und Senken Methan
20
Grundlagen IV. Quellen und Senken Methan
Tg Mt 10-3 Gt
21
Grundlagen IV. Quellen und Senken Lachgas
22
Grundlagen IV. Quellen und Senken Übersicht
Quellen und Senken in CO2-Äquivalenten (Gt CO2
a-1)
Sink ? ? Source
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Zusammenfassung Grundlagen

• Völkerrechtliche Verpflichtung zur Verminderung
  Treibhausgasemissionen
• Physikalische Wirkung GHG ? Strahlungsbilanz
• Normierung auf GWP (Einheitswährung)
• Anstieg GHG Konzentration Atmosphäre seit
  Industrialisierung
• Statistischer Zusammenhang Anstieg GHG und
  Temperatur
• Kausaler Zusammenhang Anstieg GHG und Temperatur
  wahrscheinlich
• CO2-Quellen Anteil Landnutzung/Landwirtschaft
  24
• CH4-Quellen (anthropogener) Anteil
  Landnutzung/Landwirtschaft 47
• N2O-Quellen (anthropogener) Anteil
  Landnutzung/Landwirtschaft 42

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1. Grundlagen Klimakonvention, Kyoto-Protokoll,
Wirkungsweise Treibhausgase, Global Warming
Potentials, Global Change, Globale
Treibhausgasflüsse 2. Entstehung von
Treibhausgasen in der Landwirtschaft
Redoxchemie, Entstehung und Verbrauch von N2O
und CH4 Corg-Gehalte landwirtschaftlicher
Böden/Sequestrierung Treibhausgasbilanzen
landwirtschaftlicher Flächen 3.
Treibhausgasbilanz der Schweizer Landwirtschaft
Treibhausgasbilanz, landwirtschaftlicher
Beitrag, zeitliche Entwicklungen,
Reduktionsstrategien
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Treibhausgase und Landwirtschaft I. Treibhausgase
als Produkte von Redoxreaktionen

• Aox Bred ? Ared Box Allgemeine
  Reaktionsgleichung
• O2 (CH2O) ? H2O CO2 Beispiel
  Oxidation org. Substanz
• 0 0,I,-II I,-II IV,-II
• Redoxpotential E Elektrochemische
  Arbeitsfähigkeit eines Elektrons (V)
• Redoxpotential der Gesamtreaktion
• Potential Oxidationsmittel (e- acceptor) minus
  Potential Reduktionsmittel (e- donator).
• Beispiel
• Oxidationshalbreaktion
• CH2OH2O ? CO24e-4H E -0.42V
• Reduktionshalbreaktion
• O24e-4H ? 2H2O E 0.82 V
• Redoxpotential Gesamtreaktion 0.82 (-0.42)
  1.24 V

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Treibhausgase und Landwirtschaft I. Treibhausgase
als Produkte von Redoxreaktionen

• Redoxpotential Gesamtreaktion 0.82 (-0.42)
  1.24 V
• Änderung der freien Energie ?G -nFE0
• n Anzahl Elektronen F Faraday-Konstante
  (9.68104J/molV) E0 Redoxpotential bei pH7
  (V)
• Das bedeutet für die Oxidation organischer
  Substanz im Boden mit O2 als Oxidationsmittel
• O2 (CH2O) ? H2O CO2
• ?G -49.681041.24 -480 kJ/mol
• Das Redoxpotential einer Reaktion ist direkt
  proportional zur Änderung in der freien Energie G

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Treibhausgase und Landwirtschaft I. Treibhausgase
als Produkte von Redoxreaktionen
Oxidation organischer Substanz (CH2O) mit
unterschiedlichen Elektronenakzeptoren
?Die Nutzung alternativer Elektronenakzeptoren
verringert die energetische Effizienz der
C-Oxidation
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Treibhausgase und Landwirtschaft II. Lachgas
29
Treibhausgase und Landwirtschaft II. Lachgas
2NO3- 2CH2O 2H ? N2O 2CO2 3H2O 1.04
V Halbreaktion 0.56 V O2 CH2O
? H2O CO2 1.24 V
Halbreaktion 0.82 V

• Die Denitrifizierung im Boden ist an niedrigere
  Redoxpotentiale gekoppelt und geschieht bevorzugt
  bei O2-Defizit

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Treibhausgase und Landwirtschaft II. Lachgas
Einfluss des Bodenwassergehaltes auf die
Lachgasentstehung (Modell PASIM Riedo et al.,
1997)
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Treibhausgase und Landwirtschaft II. Lachgas

• Einflussfaktoren Lachgasproduktion
• Denitrifikation
• NO3-Verfügbarkeit
• Verfügbarkeit organische Substanz
• Bodenwassergehalt bzw. - O2-Gehalt
• viel NO3- und wenig OC unvollständige
  Denitrifikation Hohes Verhältnis N2O N2
• Wenig NO3 - und viel OC vollständige
  Denitrifikation Niedriges Verhältnis N2O N2
• Nitrifikation
• hohe Temperaturen
• gute O2-Versorgung
• Norg bzw. NH4-Verfügbarkeit
• Einflussfaktoren Lachgasemission
• moderate Belüftung
• moderater Wassergehalt

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Treibhausgase und Landwirtschaft III. Methan
33
Treibhausgase und Landwirtschaft IV. Boden-C.
Pools
Zwei Stellschrauben
1. Input
Plant biomass
Soil-C Input Turnover time
2. Turnover
34
Treibhausgase und Landwirtschaft IV. Boden-C.
Stocks und turnover
35
Treibhausgase und Landwirtschaft IV. Boden-C und
Sequestrierung No-till
Six et al. 2000, vereinfacht
? Beispiel pfluglose Bewirtschaftung als
Massnahme zur Reduzierung des C-Umsatzes im Boden
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Treibhausgase und Landwirtschaft IV. Boden-C und
Sequestrierung
? Durch Bewirtschaftung kann der C-Gehalt des
Bodens manipuliert werden. Nettozunahme
Sequestrierung
37
Treibhausgase und Landwirtschaft IV. Boden-C und
Sequestrierung
? Kultivierung organischer Böden führt zum
oxidativen Abbau der organischen Substanz
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Treibhausgase und Landwirtschaft V.
Bilanzen C-Sequestrierungsraten
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Treibhausgase und Landwirtschaft V.
Bilanzen N2O-Emissionen (Faktoren IPCC, 2000
Aktivitäten modifiziert nach Schmidt et al., 2000)

• Grundlage Emissionsabschätzung Emission
  Aktivität Emissionsfaktor
• Aktivität z.B. Menge N-Dünger pro Fläche und
  Jahr
• Emissionsfaktor Anteil N2O-Emission pro Einheit
  Dünger-N

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Treibhausgase und Landwirtschaft V.
Bilanzen N2O-Emissionsfaktoren (IPCC, 2000)
41
Treibhausgase und Landwirtschaft V.
Bilanzen Nettoeffekt Moorkultivierung
(CO2-Quelle) vs. Intaktes Moor (CH4-Quelle)
Moorkultivierung
Intaktes Moor
lt- sink source -gt
? Der Treibhaus-Nettoeffekt ist über einen
Zeitraum von bis zu 300 Jahren für das intakte
Moor günstiger
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Treibhausgase und Landwirtschaft V. Bilanzen
Nettoeffekt Mineralboden ( g CO2-Äquiv. m-2 a-1
Robertson et al., 20002)
1. Positive emission 2. 1 g CO2 m-2 10 kg
CO2 ha-1
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Zusammenfassung Treibhausgase und Landwirtschaft

• Treibhausgase als Produkte von Redoxreaktionen
• ? aerobe Bereiche begünstigen oxidierte Species
• ? anaerobe Bereiche begünstigen reduzierte
  Species
• Denitrifikation, Methanbildung,
  Torfakkumulation
• Hohe Treibhausgasflüsse bei organischen Böden
• Mittelung vieler Einzelexperimente ?
  Sequestrierungsraten SOC und Emissionsfaktoren
  IPCC
• Treibhausgasbilanzen Einzelflächen Aussagekraft
  durch Berücksichtigung aller Treibhausgase Frage
  nach Systemgrenze!

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1. Grundlagen Klimakonvention, Kyoto-Protokoll,
Wirkungsweise Treibhausgase, Global Warming
Potentials, Global Change, Globale
Treibhausgasflüsse 2. Entstehung von
Treibhausgasen in der Landwirtschaft
Redoxchemie, Entstehung und Verbrauch von N2O
und CH4 Corg-Gehalte landwirtschaftlicher Böden
Treibhausgasbilanzen landwirtschaftlicher
Flächen 3. Treibhausgasbilanz der Schweizer
Landwirtschaft Treibhausgasbilanz,
landwirtschaftlicher Beitrag, zeitliche
Entwicklungen, Reduktionsstrategien
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Treibhausgasbilanz der Schweiz I.
Anteile der Sektoren im Jahr 2000 am den gesamten
Treibhausgasemissionen von 52.68 Mio. Tonnen
CO2-Äquivalenten und zeitlicher Verlauf
Treibhausgas-emissionen CH (BUWAL
Treibhausgasinventar http//www.umwelt-schweiz.ch
/
46
Treibhausgasbilanz der Schweiz I. (BUWAL
Treibhausgasinventar)
47
Treibhausgasbilanz der Schweiz I.
Anteile CH4, N2O, und CO2 an landwirtschaftlichen
Treibhausgasemissionen (BUWAL, 2000)
?
? Ausgeglichene Flüsse beim Bodenkohlenstoff?
48
Treibhausgasbilanz der Schweiz II. Bodenkohlenstof
f
Landnutzung und Bodenkohlenstoff in der Schweiz
Total ca. 170 Mt. Corg
(Leifeld et al., 2003)
49
Teil 3 Nationale Ebene Bodenkohlenstoff
Treibhausgasbilanz der Schweiz II. Bodenkohlenstof
f
Kohlenstoffgehalte in landwirtschaftlichen Böden
der Schweiz je Hektar1
(Leifeld et al., 2003)
50
Teil 3 Nationale Ebene Bodenkohlenstoff
Treibhausgasbilanz der Schweiz II. Bodenkohlenstof
f
Vergangene und prognostizierte C-Verluste
kultivierter Moore
? Deutliche C-Verluste durch Moorkultivierung
seit 1885
51
Teil 3 Nationale Ebene Bodenkohlenstoff
Treibhausgasbilanz der Schweiz II. Bodenkohlenstof
f
Historische Landnutzungsänderungen
Landnutzung Kunstwiesenanteil
? Die historische Entwicklung hat tendenziell zu
einer Abnahme der C-Menge in der Landwirtschaft
geführt
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Teil 3 Nationale Ebene C-Sequestrierung
Treibhausgasbilanz der Schweiz III. Sequestrierung
spotentiale
Übersicht über mögliche Senkenaktivitäten und
Senkenpotentiale1 in der Schweiz
1 Aktivität 35
1 Einschliesslich vermeidbarer Emissionen
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Teil 3 Nationale Ebene C-Sequestrierung
Treibhausgasbilanz der Schweiz III. Sequestrierung
spotentiale
Das C-Senkenpotential im Vergleich zu
anderen Treibhausgasflüssen in der Schweiz
1. Mittel der Periode 1990 1999
(Schweizerisches Treibhausgasinventar)
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Zusammenfassung Treibhausgasbilanz der Schweiz

• Die Landwirtschaft der Schweiz ist besonders bei
  Methan und Lachgas ein wichtiger Emittent
• Methanemissionen wurden seit 1990 v.a. durch eine
  Verkleinerung des Kuhbestandes verringert N2O
  durch Verringerung Mineral-N und
  Futtermittelimporte
• Reduktionsstrategien Weiter verringerte
  Tierzahlen und Abnahme N-Einsatz Landwirtschaft
  ohne Kompensation durch Importe!!
• Landwirtschaftliche CO2-Flüsse sind bedeutend und
  in den aktuellen Treibhausgasinventaren nicht
  abgebildet
• Das Senkenpotential ist Gegenstand
  wissenschaftlicher und politischer Diskussion
  
  ? Forschungsprojekt FAL/GREENGRASS

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(No Transcript)
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• Forschungsschwerpunkte Standort Schweiz
  (Kyoto-Wiese)
• Treibhausgasbilanz Grünland nach
  Nutzungsumstellung
• Subthema C-Bilanz einer von Acker auf Grünland
  unterschiedlicher Nutzungsintensität umgestellten
  Fläche
• Besondere Probleme
• Zusammenhang zwischen oberirdischer /
  unterirdischer Produktivität und Bodenatmung
• Erfassung der räumlichen und zeitlichen
  Variabilität der Bodenatmung

Zu diesen Themen wird für den Sommer 2003 ein/e
Diplomand/Diplomandin gesucht, wer Interesse hat
bitte melden bei Dr. Matthias Volk,
matthias.volk_at_fal.admin.ch Tel. (0)1 377
7507 Dr. Jens Leifeld, jens.leifeld_at_fal.admin.c
h Tel. [phone]