Butterbach-Bahl, K.

Kiese, R.

KITopen

KIT – die Kooperation vonForschungszentrum Karlsruhe GmbHund Universität Karlsruhe (TH)1 Würzburg,  21.04.2009 Ralf.Kiese@imk.fzk.deBiosphäre-Atmosphäre-Austausch klimarelevanter Spurengase in agrarisch und forstlich genutzten sowie in natürlichen ÖkosystemenRalf Kiese und Klaus Butterbach-BahlForschungszentrum Karlsruhe GmbHInstitut für Meteorologie und Klimaforschung IMK-IFU Garmisch-PartenkirchenKIT – die Kooperation vonForschungszentrum Karlsruhe GmbHund Universität Karlsruhe (TH)2 Würzburg,  21.04.2009 Ralf.Kiese@imk.fzk.deAnstieg von Treibhausgasen in der AtmosphäreIPCC, 2001AnthropogenLandnutzungsänderungenReisfelder, Sumpfgebiete, WiederkäuerAcker-, Wiesen- und WaldbödenAtmosphärische KonzentrationenCO2CH4N2OAnstieg von Treibhausgasen in der AtmosphäreBiogenKIT – die Kooperation vonForschungszentrum Karlsruhe GmbHund Universität Karlsruhe (TH)3 Würzburg,  21.04.2009 Ralf.Kiese@imk.fzk.deIPCC, 2001AnthropogenLandnutzungsänderungenReisfelder, Sumpfgebiete, WiederkäuerAcker-, Wiesen- und WaldbödenAtmosphärische KonzentrationenCO2CH4N2OAnstieg von Treibhausgasen in der AtmosphäreBiogenAnstieg von Treibhausgasen in der AtmosphäreKIT – die Kooperation vonForschungszentrum Karlsruhe GmbHund Universität Karlsruhe (TH)4 Würzburg,  21.04.2009 Ralf.Kiese@imk.fzk.deIPCC, 2001AnthropogenLandnutzungsänderungenReisfelder, Sumpfgebiete, WiederkäuerAcker-, Wiesen- und WaldbödenAtmosphärische KonzentrationenCO2CH4N2OAnstieg von Treibhausgasen in der AtmosphäreBiogenAnstieg von Treibhausgasen in der AtmosphäreKIT – die Kooperation vonForschungszentrum Karlsruhe GmbHund Universität Karlsruhe (TH)5 Würzburg,  21.04.2009 Ralf.Kiese@imk.fzk.deIPCC, 2001AnthropogenLandnutzungsänderungenReisfelder, Sumpfgebiete, WiederkäuerAcker-, Wiesen- und WaldbödenAtmosphärische KonzentrationenCO2CH4N2OAnstieg von Treibhausgasen in der AtmosphäreBiogenAnstieg von Treibhausgasen in der AtmosphäreKIT – die Kooperation vonForschungszentrum Karlsruhe GmbHund Universität Karlsruhe (TH)6 Würzburg,  21.04.2009 Ralf.Kiese@imk.fzk.deCH4CO2N2 O60-70%60-70%Nitrifikation DenitrifikationMethanogeneseCH4 -OxidationPhotosynthese/ RespirationDie Biosphäre• ist eine Quelle und Senke für umweltrelevante Spurenstoffe (CO2 , CH4 N2 O),• steht im dynamischen Austausch mit der Atmosphäre und  • hat damit einen bestimmenden Einfluss auf deren chemische Zusammensetzung und somit letztlich auf  • die Umweltbedingungen, wie z.B. das Klima.Die Biosphäre als Quelle und Senke von SpurengasenKIT – die Kooperation vonForschungszentrum Karlsruhe GmbHund Universität Karlsruhe (TH)7 Würzburg,  21.04.2009 Ralf.Kiese@imk.fzk.deGlobales CO2 -BudgetKIT – die Kooperation vonForschungszentrum Karlsruhe GmbHund Universität Karlsruhe (TH)8 Würzburg,  21.04.2009 Ralf.Kiese@imk.fzk.deGlobales CO2 -BudgetQuelle: The woods Hole Research CentrerKIT – die Kooperation vonForschungszentrum Karlsruhe GmbHund Universität Karlsruhe (TH)9 Würzburg,  21.04.2009 Ralf.Kiese@imk.fzk.deVeränderung von Boden-C-Gehalten nach LandnutzungsänderungMatson et al., 1998KIT – die Kooperation vonForschungszentrum Karlsruhe GmbHund Universität Karlsruhe (TH)10 Würzburg,  21.04.2009 Ralf.Kiese@imk.fzk.deVeränderung von Boden-C-Gehalten nach Landnutzungsänderung Grünland-AckerlandGrünlandumbruch Deutschland:2003-2007 Anahme um 3.1 %⇒ 154.000 ha Schleswig-Holstein sogar >5%(DLZ Agrarmagazin 2008)Umwandlung hauptsächlich  für Silomais zur Verwendung in BiogasanlagenKIT – die Kooperation vonForschungszentrum Karlsruhe GmbHund Universität Karlsruhe (TH)11 Würzburg,  21.04.2009 Ralf.Kiese@imk.fzk.deFragione et al., 2008 ScienceLandnutzungsänderungen und KohlenstoffbilanzKIT – die Kooperation vonForschungszentrum Karlsruhe GmbHund Universität Karlsruhe (TH)12 Würzburg,  21.04.2009 Ralf.Kiese@imk.fzk.deVeränderung von Boden-C-Gehalten nach LandnutzungsänderungMatson et al., 1998-3000-15000150030004500Iowa Hebei Bavaria  Change in net-GHG emissions, alternative - standard(kg CO2-equivalents ha-1 yr-1)  CH4 N2O C-sequestration in soil TotalLi, Butterbach-Bahl, Frolking, 2005, Climatic ChangeKIT – die Kooperation vonForschungszentrum Karlsruhe GmbHund Universität Karlsruhe (TH)13 Würzburg,  21.04.2009 Ralf.Kiese@imk.fzk.deQuelle: IPCC, 2001Globales CH4 -Budget4.7%4.7%7.49%7.49%15.9%11.2%18.7%29.9% Natural sources Anthropogenic sources, fossil fuel  Rice padddies Enteric fermentation Biomass burning Landfills Animal waste Domestic sewageGesamt: 535 Tg CH4 a-1Bodensenke: 30 Tg CH4 a-1wetlands, termites, oceansKIT – die Kooperation vonForschungszentrum Karlsruhe GmbHund Universität Karlsruhe (TH)14 Würzburg,  21.04.2009 Ralf.Kiese@imk.fzk.deCO2CH44 anaerobe BodenverhältnisseCH44aerobe BodenverhältnisseOCCO2+O2+O2-O2-O2RespirationOCCO2 + H2 OCH44+O2Methan OxidationMethanogeneseKIT – die Kooperation vonForschungszentrum Karlsruhe GmbHund Universität Karlsruhe (TH)15 Würzburg,  21.04.2009 Ralf.Kiese@imk.fzk.deBorken et al., 2003Landnutzungsänderung und MethanaufnahmeSolling UnterlüßKIT – die Kooperation vonForschungszentrum Karlsruhe GmbHund Universität Karlsruhe (TH)16 Würzburg,  21.04.2009 Ralf.Kiese@imk.fzk.deGlobales N2 O-Budget13%7.99%3.1%20.4%6.19%6.19%6.19%18.5%18.5% Ozean Tropical forests Savanna Temperate forests Grasslands Agriculture Biomass burning IndustryGesamt: 16 Tg N2 O-N a-1Bodensenke: ?? Tg N2 O-N a-1KIT – die Kooperation vonForschungszentrum Karlsruhe GmbHund Universität Karlsruhe (TH)17 Würzburg,  21.04.2009 Ralf.Kiese@imk.fzk.de-Ammonifikation+NH4 NO3organischeSubstanzPflanzenstreuProduktionAbsterben der Mikro- organismenpflanzengebundener StickstoffN-Aufnahme der Pflanzenmikrobielle Biomassemikrobielle N-ImmobilisierungNitrifikationN2 ONOgasförmige N VerlusteN-KreislaufGrundwasser/ VorfluterNO3 AuswaschungN-Düngung/N- DepositionN2 -FixierungDenitrifikation N2KIT – die Kooperation vonForschungszentrum Karlsruhe GmbHund Universität Karlsruhe (TH)18 Würzburg,  21.04.2009 Ralf.Kiese@imk.fzk.deMachefert et al., 2002N2 O-Emissionen aus verschiedenen Ökosystemen in EuropaForests and grasslands agriculureKIT – die Kooperation vonForschungszentrum Karlsruhe GmbHund Universität Karlsruhe (TH)19 Würzburg,  21.04.2009 Ralf.Kiese@imk.fzk.deN2 O-Emissionen und N-DüngereinsatzZou et al., 2005Stehfest und Bouwman 2006:>1000 Datensätze zu N2 O-Emissionen weltweit:N2 O-Emissionen = f (N-Dünger, Feldfrucht, Düngerart, SOC, pH, Textur)KIT – die Kooperation vonForschungszentrum Karlsruhe GmbHund Universität Karlsruhe (TH)20 Würzburg,  21.04.2009 Ralf.Kiese@imk.fzk.deJungkunst et al., 2006, J. Plant Nutr. Soil Sci.N2 O-Emissionsfaktoren für landwirtschaftlich genutzte Böden in DeutschlandBottom-Up100*][][][[%] 112122 −−−−+ −=haNkgNhaNkgONhaNkgONEFleinsatzDüngemitteDüngerDüngerONIPCC Emissionsfaktor für N2 O = 1.5% der ausgebrachten DüngermengeKIT – die Kooperation vonForschungszentrum Karlsruhe GmbHund Universität Karlsruhe (TH)21 Würzburg,  21.04.2009 Ralf.Kiese@imk.fzk.deCrutzen et al., 2008N2 O-Emissionsfaktoren für landwirtschaftlich genutzte BödenTop-DownKIT – die Kooperation vonForschungszentrum Karlsruhe GmbHund Universität Karlsruhe (TH)22 Würzburg,  21.04.2009 Ralf.Kiese@imk.fzk.de0 10 20 30 400,00,51,01,52,02,53,0  CO2-Eq-Bioenergy / CO2-SavingsPlant N content [g N kg-1 DW]Sugar caneRapeseedWheat/BarleyMaize/root crops etc.Stimulierung vonTHG-EmissionenCrutzen et al., 2008THG-Neutralität von BioenergiepflanzenReduzierung von THG-EmissionsKIT – die Kooperation vonForschungszentrum Karlsruhe GmbHund Universität Karlsruhe (TH)23 Würzburg,  21.04.2009 Ralf.Kiese@imk.fzk.deDüngemittel- fabrikN2ÆNRNRGetreide als Nahrung & ViehfutterNRStickoxide(NOx )Lachgas(N2 O)Ammoniak(NH3 )Nitrat-Austrag(NO3-)Weitere Emissionenvon NOx & N2 O Æ Fortsetzung derKaskadeViehhaltungNatürliche ÖkosystemenAmmoniumnitrat im Regen (NH4 NO3 )NO3 in Oberflächen-& GrundwässernDie Stickstoff KaskadeKIT – die Kooperation vonForschungszentrum Karlsruhe GmbHund Universität Karlsruhe (TH)24 Würzburg,  21.04.2009 Ralf.Kiese@imk.fzk.de0.11101000.1 1 10 1000.3 - 0.40.03-0.050.02 - 0.030.006 - 0.02simulated annual N2O flux (kg N/ha/yr)observed annual N2O flux (kg N/ha/yr)SOC (kg C/kg soil)Li et al., 2005, Climatic ChangeModellierung des Biosphäre-Atmosphäre THG AustauschsDNDC-ModellKIT – die Kooperation vonForschungszentrum Karlsruhe GmbHund Universität Karlsruhe (TH)25 Würzburg,  21.04.2009 Ralf.Kiese@imk.fzk.deRegional NO and N2O emission inventory for agricultural soilsmechanistic biogeochemical modelVegetation:Crop/GrasslandSoilHuman impact:ManagementClimate2 D  G r a p h  1X  D a t a0 5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0 3 0 0 3 5 0Y Data- 2 0- 1 001 02 03 0Y Axis 2051 01 52 02 53 03 5T e m p  N S  N u t z u n g D N D C -K la s s i f i k a t i o nF e ld f r u c h t o r g a n i s c h eW i r t s c h a f t s d ü n g e r[m 3  h a - 1 ]A n b a u f l ä c h e[ h a ]S u m m e  [ m 3 ]A c k e r la n d w in t e r  w h e a t W in t e r w e iz e n 1 0 , 0 1 6 7 . 3 7 9 , 7 1 .6 7 3 . 7 9 6 , 6 6r y e R o g g e n 1 5 , 0 7 2 . 6 3 1 ,5 1 .0 8 9 . 4 7 2 , 0 8b a r le y W in t e r g e r s t e 1 5 , 0 1 3 0 . 7 6 1 , 6 1 .9 6 1 . 4 2 4 , 1 5r a p e W in t e r r a p s 0 , 0 9 5 . 7 7 0 ,4 0 , 0 0b a r le y S o m m e r g e r s t e 1 0 , 0 5 8 . 1 5 7 ,2 5 8 1 . 5 7 1 , 7 6o a t s H a f e r 1 0 , 0 1 0 . 1 9 6 ,7 1 0 1 . 9 6 7 , 4 4c o r n K ö r n e r m a is , C o r n -C o b - M ix ,  S il o m a is1 5 , 0 9 0 . 6 8 2 ,1 1 .3 6 0 . 2 3 1 , 0 1p o t a t o e s K a r t o f f e ln  f r ü h ,m i t t e l f r ü h e  u n d  s p ä t e1 5 , 0 1 3 . 1 0 3 ,5 1 9 6 . 5 5 2 , 6 1b e e t s Z u c k e r r ü b e n ,R u n k e l r ü b e n0 , 0 2 5 . 5 7 9 ,3 0 , 0 0le g u m e  h a y K le e ,  K le e g r a s ,L u z e r n e ,  F u t t e r e r b s e n1 5 , 0 4 6 . 7 3 5 ,2 7 0 1 . 0 2 7 , 7 4p a s t u r e A c k e r w ie s e ,A c k e r w e id e1 0 , 0 2 3 . 2 6 9 ,3 2 3 2 . 6 9 3 , 3 3v e g e t a b le s G e m ü s e ,  E r d b e e r e nu n d  a n d e r eG a r t e n g e w ä c h s e0 , 0 5 . 5 3 3 ,6 0 , 0 0G r ü n la n d g r a s la n d G r a s la n d 1 0 , 0 7 3 . 1 2 0 ,1 7 3 1 . 2 0 0 , 6 1p a s t u r e W e id e 1 0 , 0 6 6 . 6 5 5 ,0 6 6 6 . 5 4 9 , 6 4n o n - le g u m e  h a y W ie s e ,  M ä h w ie s e 1 5 , 0 1 0 0 . 4 2 5 , 0 1 .5 0 6 . 3 7 4 , 7 7S u m m e 9 8 0 . 0 0 0 , 0 1 0 .8 0 2 . 8 6 1 , 8 0Gekoppelter Modell GIS-AnsatzN2 O-Emissions-Kataster für landwirtschaftliche Böden in DeutschlandKIT – die Kooperation vonForschungszentrum Karlsruhe GmbHund Universität Karlsruhe (TH)26 Würzburg,  21.04.2009 Ralf.Kiese@imk.fzk.deHolland et al., 1999, Biogeochemistry, EMEP, 2002Historische Entwicklung der N-DepositionKIT – die Kooperation vonForschungszentrum Karlsruhe GmbHund Universität Karlsruhe (TH)27 Würzburg,  21.04.2009 Ralf.Kiese@imk.fzk.deN2 O Emission von Böden europäischer Waldstandorte• Positive Korrelation zwischen N2 O- Emissionen und N- Depositionen• Literatur: genereller Trend zu höheren N2 O-Emissionen aus Waldböden mit hohen N- DepositionenPilegaard et al., 2003; Venterea et al., 2003; Butterbach- Bahl et al., 2002; Butterbach-Bahl et al., 1999, Sitaula et al., 1995; Bowden et al.,  1991; Tietema & Verstatten, 1991KIT – die Kooperation vonForschungszentrum Karlsruhe GmbHund Universität Karlsruhe (TH)28 Würzburg,  21.04.2009 Ralf.Kiese@imk.fzk.deJul Jan Jul Jan Jul Jan Jul Jan Jul Jan Jul Jan Jul Jan Jul Jan Jul Jan0501001502003004005002007Cutting  N2O emission [µg N m-2 h-1]20062005200420032002200120001999N2 O Emissionen und WaldbewirtschaftungKIT – die Kooperation vonForschungszentrum Karlsruhe GmbHund Universität Karlsruhe (TH)29 Würzburg,  21.04.2009 Ralf.Kiese@imk.fzk.deN2 O Emissionen Europäischer WaldökosystemeKesik et al., 2005, Biogeosciences02468101214N2O Emission(kg N2O-N ha-1 a-1) Cultivated Area Forest Area15% of agriculturalsoilsKIT – die Kooperation vonForschungszentrum Karlsruhe GmbHund Universität Karlsruhe (TH)30 Würzburg,  21.04.2009 Ralf.Kiese@imk.fzk.deZusammenfassungTerrestrische Ökosysteme sind wichtige Quellen und Senken für treibhauswirksame Spurengase (CO2 , CH4 , N2 O)Landwirtschaft trägt als Hauptemittent von N2 O und CH4 mit ca. 9% zu den Gesamtemissionen Deutschlands beiAnthropogen Aktivitäten (Landnutzungswandel, Intensivierung der Landwirtschaft, Industrie  Verkehr) haben bereits zu gravierenden Änderungen der C und N Stoffkreisläufe und damit der Biosphäre-Atmosphäre (-Hydrosphäre) Austauschvorgänge geführtReduzierung von THG Emissionen durch weitere Effizienzsteigerungen bei N-Düngemittel- einsatzC-Sequestrierung in Böden möglich, Biofuels können einen Beitrag leisten; sind jedoch kritisch zu beurteilen (Gesamt-Treibhausgasbilanzen)Komplexität des BAH-Stoffaustauschs unter sich wandelnden Klima- und Umweltbedingungen und die Pertubation insbesondere des regionalen/ globalen N-Kreislaufs ist noch zu wenig verstandenLangfristige, interdisziplinäre und praxisorientierte Forschung kann dieses Verständnis verbessern, das zur Definition und Bewertung von Anpassungs- und Minderungsstrategien im Rahmen der Global Change Debatte unbedingt erforderlich ist

Biosphäre-Atmosphäre-Austausch klimarelevanter Spurengase in agrarisch und forstlich genutzten sowie in natürlichen Ökosystemen

https://publikationen.bibliothek.kit.edu/170075308/3815451

Biosphäre-Atmosphäre-Austausch klimarelevanter Spurengase in agrarisch und forstlich genutzten sowie in natürlichen Ökosystemen

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