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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
Landnutzung-Biomasse-Klima I Karlheinz Erb I 9.11.2018 2
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
Landnutzung-Biomasse-Klima I Karlheinz Erb I 9.11.2018 3
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
Landnutzung-Biomasse-Klima I Karlheinz Erb I 9.11.2018
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Erb, unpublished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
Landnutzung-Biomasse-Klima I Karlheinz Erb I 9.11.2018
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
Landnutzung-Biomasse-Klima I Karlheinz Erb I 9.11.2018
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
Landnutzung-Biomasse-Klima I Karlheinz Erb I 9.11.2018
Difference of „production“ and „consumption“ of „embodied HANPP“
Source: Erb et al,EE 2009
Eine wichtige weitere Herausforderung: „Spatial disconnect“ zwischen Produktion und Konsum
Landnutzung-Biomasse-Klima I Karlheinz Erb I 9.11.2018
Bestände, nicht Flüsse...
IPCC AR5, 2014
Attribution: Land use and natural factors
Landnutzung-Biomasse-Klima I Karlheinz Erb I 9.11.2018
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
Landnutzung-Biomasse-Klima I Karlheinz Erb I 9.11.2018
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
Erb et al. 2018, doi:10.1038/nature25138
Landnutzung-Biomasse-Klima I Karlheinz Erb I 9.11.2018
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
Erb et al. 2018, doi:10.1038/nature25138
Landnutzung-Biomasse-Klima I Karlheinz Erb I 9.11.2018
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)
Erb et al. 2018, doi:10.1038/nature25138
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
Landnutzung-Biomasse-Klima I Karlheinz Erb I 9.11.2018
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
Landnutzung-Biomasse-Klima I Karlheinz Erb I 9.11.2018
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
Landnutzung-Biomasse-Klima I Karlheinz Erb I 9.11.2018
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
Landnutzung-Biomasse-Klima I Karlheinz Erb I 9.11.2018
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
Landnutzung-Biomasse-Klima I Karlheinz Erb I 9.11.2018
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
Landnutzung-Biomasse-Klima I Karlheinz Erb I 9.11.2018
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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Landnutzung-Biomasse-Klima I Karlheinz Erb I 9.11.2018
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
Landnutzung-Biomasse-Klima I Karlheinz Erb I 9.11.2018
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)