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Landnutzung-Biomasse-Klima I Karlheinz Erb I 9.11.2018 1

Landnutzung, Biomasse, KlimaEine globale Perspektive

Karlheinz ErbInstitute of Social Ecology Vienna

Biomasse Kaleidoskop, ÖAW, 9.Nov.2018

European Union's Horizon 2020 research and innovation programme under grant agreement No 640176

University of Natural Resourcesand Life Sciences, ViennaDept. of Economics and Social SciencesInstitute of Social Ecology


Biomasse, eine zentrale sozioökonomische Ressource

1900: Biomasse nimmt 72% der gesamten globalen Ressourcenextraktion ein

2010: 26% der Ressourcenextraktion Aber: Zunahme der Biomasse-entnahme:

Faktor 4.3 Gesamte Extraktion: Zunahmefaktor 12

(Fossilenergie: 15, Erze: 42, Nicht-metallische Mineralien: 50)

keine Substitution von Biomasse als Ressource

Biomasse ist als Ressource nicht sub-stituierbar: Nahrungsmittel, Tierfutter

Krausmann et al., 2018 10.1016/j.gloenvcha.2018.07.003


Biomasse ist ein zentraler Baustein ökologischer Prozesse: - Steht in direkten Zusammenhang mit dem Energiefluss, der

„ökologischen Währung“ der Ökosysteme [Lindemann, Lotka, Odum, und andere]- Nettoprimärproduktion, die Bereitstellung von Energie der

autotrophen Organismen - wesentlich für alle heterotrophen Arten (inkl. Mensch) Biodiversität

- Akkumulierte NPP: Standing crop of biomass – Struktur der Ökosysteme

- Zentrale Schnittstelle zwischen Biosphere und Atmosphere: Klimasystem, Klimawandel

Biomasse, eine zentrale ökologische Ressource

Odum 1971

IPCC, AR4, 2007

Landnutzung-Biomasse-Klima I Karlheinz Erb I 9.11.2018

Land, ein Sozial-ökologisches System

IPCC AR5, 2014

Attribution: Land use and natural factors


Globale Landnutzung – von Biomen zu „Anthromes“

Erb, unpublished

Source: FAO

Ellis et al., 2010 10.1111/j.1466-8238.2010.00540.x

Biomes Anthromes

• 3/4 bis 4/5 des eisfreien Landes sind heute unter Landnutzung• Große ungenutzte Gebiete gibt es nur noch in Regionen die:

• zu kalt sind• zu heiss sind• zu remote sind

• Große Unterschiede in der die Intensität der Landnutzung


HANPP – „human appropriation of net primary production“ –Gesellschaftliche Aneignung von Nettoprimärproduktion

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Society

Outputs - Benefits

Inputs - Investments

Potential NPP

Actual NPP

NPP remaining after harvest

HAN

PPLuC

HAN

PPharv

HAN

PP

Change inducedthrough

landuse

naturalecosystem

managedecosystem

• NPP: Nettoproduktion der Pflanzen, Bruttoproduktion minus Pflanzenatmung

• HANPP: Ein Maß der Gesellschaftlichen Intervention in ökologische Energieflüsse

• Summe aus „verhinderter“ und geernteter Energie


HANPP%:Aggregated effect ofland use andharvest<< -24% >>

Global Human Appropriation of NPP in 2000HANPPLUC%:Productivity changesdue to landcoversions<< -10% >>

Haberl et al. 2007 10.1073/pnas.0704243104

Forest11%

Cropland49%

Human induced

fires7%

Built-up land4%

Grazing land29%

HANPPFood13,7%

Market feed8,4%

Seed0,7%

Other uses11,1%

Industrial Wood6,2%

Fuelwood9,8%

Grazing, fodder50,0%

Consumption

1910-2007: 13% 25%factor 2

Population: factor 4 GDP: factor 17

Krausmann et al. 2011, 10.1073/pnas.1211349110


Difference of „production“ and „consumption“ of „embodied HANPP“

Source: Erb et al,EE 2009

Eine wichtige weitere Herausforderung: „Spatial disconnect“ zwischen Produktion und Konsum


Bestände, nicht Flüsse...

IPCC AR5, 2014

Attribution: Land use and natural factors


Biomassebestände: derzeitige Schätzungen, massive Unsicherheiten

Differenz: ~80 PgC (beide sind inventur-basiert, beide sind authoritativ)

Erb et al. 2018, doi:10.1038/nature25138

Potenzielle Biomassebestände Aktuelle Biomassbestände


Sieben mal Biomassebestand aktuell

A FRA-basedFRA: Forest Ressource Assessment

B Pan-basedPan. Y. et al. A Large and Persistent Carbon Sink in the World’s Forests. Science 333. 988–993 (2011).

C Saatchi+Thurner-based

D Baccini+Thurner-based

E Cell-based minima

F Cell-based maxima

G Ruesch & GibbsRuesch. A. & Gibbs. H. K. New IPCC Tier-1 global biomass carbon map for the year 2000. (2008)

Based on land-use data, bottom-up



Sechs mal Biomassebestand potenziell

A IPCC-based. FRA-adjusted

B IPCC-based. PAN-adjusted

C Biomass stock density, cell-basedminimum of „classical ecological“ values

D Biomass stock density cell-basedmaximum of „classical ecological“ values

E Remote sensing based

F West et al.West. P. C. et al. Trading carbon for food: Global comparisonof carbon stocks vs. crop yields on agricultural land. PNAS 107. 19645–19648 (2010)

Based on land-use data, bottom-up



Gesellschaftliche Reduktion der globalen Biomassebestände

Mean of all 42 permutations

* Aktuell: Mittelwert (n=7) 450 PgC (380-536)* Potenziell: Mittelwert (n=6) 916 PgC (771-1107) Reduktion, Median (n=42) 447 (inner quartiles: 375-525)


Halbierung der Biomassebestände durch Landnutzung

Effekte von Land Management und Landbedeckungsveränderungen ähnlich groß

Used tropical forest (forest management)

Used subtropical, temperate & boreal

forest (forest management)

Natural grassland, with and without trees

(grazing)Cropland

Artificial grassland

Infra-structure

Ambigious


Sind 450 PgC viel oder wenig? aktuelle C-emissionen aus Fossilenergie & Zement ~9 PgC Globale netto-Kohlenstoffemissionen aus Landnutzung ~ 1 PgC; „Land Sink“ – C-Absorptionsprozesse der Landökosysteme, durch

Klimaänderungen verursacht: ~ -3 PgC Eine Wiederherstellung des Potenzials würde ein Äquivalent von 50

Jahren Emissionen (Stand heute) absorbieren. (das würde aber wenig Sinn machen...) Realistischer Potenziale: Landwirtschaftliche Flächen auf 30% des Potenzials: 7

Jahre, alle Wälder auf 90% des Potenzials: 7-12 Jahre, tropischen Wälder auf 90%: 5-10 Jahre

450 PgC sind deutlich höher als in Modellierungsstudien ermittelt: der Effekt von „Management“ ist in globalen Modellen so gut wie nicht berücksichtigt.

Oder sind die 900 PgC potenzieller Biomassebestand eine Überschätzung?Erb et al. 2018, doi:10.1038/nature25138


Sind die ~900 PgC eine Überschätzung?[oder: sind die IPCC daten zu hoch?]

„Bias“ von ökologischen Aufnahmen, Fokus auf ungestörte Habitate ( Überschätzung) Aber: in vielen Regionen gibt es keine „unberührte“ Natur mehr ( Unterschätzung) Gegencheck: Berechnung d. Biomassebestände aus Satellitendaten auf Wilderness Gebieten

(Potapov et al., 2017, Venter et al., 2016) Für temperate und subtropische Zone Representänz nicht gegeben. Aber: nationale SCpot Schätzung

für AUT: 13 kgC/m2; lokal, Schweiz: 19kgC/m2 (Global, durchschnitt: 5kgC/m2) Boreal: bekannte Probleme der Satellitendaten eine substanzielle Überschätzung kann ausgeschlossen werden.

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Intact forests

Erb et al(IPCC based)

Extrapolated from satellite datafor wilderness areas

Potential biomass stock

Poten

tial b

iomas

sstoc

k


Unsicherheiten, und deren Bedeutung

• (Regionale) Unsicherheiten der aktuellen Biomassebestände sehr hoch, besonders in Regionen am Rand der tropischen Kerngebiete

• Übersetzt man die Unsicherheiten in „detection limits“ (Signal muss größer sein als die Unsicherheit), dann ergibt sich die hier dargestellte Karte.

– zB. In vielen Gebieten in den Tropen ist das detection limit >750gC/m²/yr, das ist im Bereich der jährlichen Pflanzenproduktion (NPP)

– Ein Problem für climate change migitation Strategien.

Related to actual biomass stocks


Bestände & Flüsse: Turnover

Turnover rate: Schlüsselvariable von Ökosystemen:das Verhältnis von Bestand und Fluss: τb = SC / NPP

Einheit: [yr-1] (turnover) oder [yr] (mean residence time) Turnover bestimmt die Größe des C-Pools, nicht

Produktivität Die Auswirkungen von Landnutzung auf τb sind wenig

erforscht, oft sogar ignoriert

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Carvalhais et al., 2014 doi:10.1038/nature13731

Determinants of ecosystem carbon turnover time

Temperature

Prec

ipitat

ion


Eine tiefgreifende Umstrukturierung ökologischer Prozesse: Beschleunigung der Turnover Rate

Alle Biome zeigen ähnliche Muster

Der Effekt von Landnutzung auf Bestände ist viel stärker als auf NPP (NPP↓, SC ↓↓)

Hoher Erntedruck korreliert mit hoher Beschleunigung.

Biomassenachfrage wird wahrscheinlich steigen – schon heute kommen die meiste Ernteprodukte aus „schnellen“ Ökosystemen

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Potential vegetation: 13.7 yrs Actual vegetation: 7.1 yrs

Global Acceleration factor: 1.9

Erb et al. 2016 doi:10.1038/ngeo2782


Ein Blick nach vorn...

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Wieviel Bioenergie ist möglich?• Derzeitige globale technische Energie ~450EJ/yr

• Davon Bioenergie ~50 EJ/yr (hauptsächlich Brennholz)• Zum Vergleich: gesamte Biomasseernte: ~250 EJ/yr

• Heutige Landnutzung geht mit gravierenden Umweltproblemen einher: GHG emissionen, Degradation, Biodiversitätsverlust, etc.

• Was sind die globale Auswirkungen einer Bioökonomie, die auf die (~simple~) Substitution von Fossilenergie durch Biomasse abzielt?

• Nachfrageseitige Strategien bringen viele Vorteile gg.überEffizienzstrategien: großer Optionenraum, kein Rebound-effekt.

Haberl et al., 2012 Newbold et al., 2015

+ Diets -

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Schlussfolgerungen Die Auswirkungen der Landnutzung auf Biomasse-flüsse und Bestände sind massiv: 25% HANPP, -50%

biomass stock (Österreich -64%. ), Verdoppelung der Turnoverrate Steigerung der Erträge war und ist möglich, HANPP ist von Bevölkerung los-koppelbar. Aber: heutzutage

hauptsächlich auf Inputs basierend, die lokale Ökosysteme und/oder das Klima belasten- zentraler Trade-off

Biomasseproduktion und -konsum sind zunehmend räumlich getrennt. Herausforderung für Wissenschaft und (Nachhaltigkeits)Politik und (komplexe Ursache-Wirkungsgeflechte; leakage)

Management Effekte (Waldnutzung, Beweidung und andere Nutzungen von natürlichen Grasländern) sind so global so bedeutsam wie die Abholzung. Diese Effekte sind derzeit aber kaum beachtet. Schutz der globalen Waldflächen ist essentiell, aber nicht ausreichend im Sinne der Klimawandelbekämpfung.

Unsicherheiten sind am größten in jenen Gebieten, die als „Hoffnungsfelder“ für Bioenergie diskutiert werden.

Zentrale Herausforderung: Wie kann Ernte gesteigert werden ohne den Turnover massiv zu beschleunigen? Zentraler Trade-off

„Demand-side strategies“ – Nachfrageseitige Strategien sind von zentraler Bedeutung


The End

Vielen Dank für Ihre [email protected]

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European Union's Horizon 2020 research and innovation programme under grant agreement No 640176“Detecting changes in essential ecosystem and biodiversity properties – towards a Biosphere Atmosphere Change Index: BACI” (lead: MPG Jena)

Date post:	08-Aug-2019
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