Quellen und Senken von CO2 in landwirtschaftlichen Böden - Prozesse, Identifizierung, Quantifizierung, Vermeidung

• Forschungsstelle: AGS
• Projektnummer: 14.41.1.3
• Projekttitel Englisch: Carbon sources and sinks in agricultural soils – processes, identifica-tion, quantification, mitigation

Schlüsselwörter (Englisch)

CO₂, sequestration, management, mitigation, soil, climate

Kurzbeschreibung (Deutsch)

Die stattfindende Veränderung der Kohlenstoffgehalte von Böden stellt eine umweltpolitische und ökologische Herausforderung dar, bietet auf der anderen Seite aber auch ein grosses Vermeidungspotential im Bereich der landwirtschaftlichen Treibhausgasemissionen. Das Ziel des Tätigkeitsfeldes ist die Quantifizierung der Quellen und Senken, die Erforschung der dazugehörigen Prozesse und die Ableitung von Handlungsempfehlungen. Massnahmen mit relevantem Vermeidungspotential sollen identifiziert werden. Im Tätigkeitsfeld werden die Quellen und Senken von CO2 in landwirtschaftlichen Böden unter drei Gesichtspunkten untersucht.
(1) Bei der Erforschung der Grundlagen stehen organische Böden, Pflanzenkohle, Gebirgsböden und Unterböden im Vordergrund (Prozesswissen).
(2) Im Bereich Modellvalidierung werden dynamische Simulationsmodelle sowie Humusbilanzierungen gegen unterschiedliche Langzeitmessungen und natürliche Gradienten getestet und gegebenenfalls verbessert (Anwendungswissen).
(3) Die Inventarisierung im Bereich des Schweizer Treibhausgasinventars sowie das Rechnen von Szenarien mit dem Ziel der Identifizierung von Vermeidungspotentialen („Mitigation“) findet auf einer aggregierten räumlichen Ebene statt. Handlungsempfehlungen werden in Bezug auf wichtige etablierte und neue Bewirtschaftungsmassnahmen entwickelt (Handlungswissen).

Projektziele (Deutsch)

Oberziel: Identifizierung und Quantifizierung der CO2 Quellen und Senken in landwirtschaftlichen Böden der Schweiz, die Erforschung der dazugehörigen Prozesse und die Ableitung von Handlungsempfehlungen. Auf der räumlichen Ebene werden die Skalen Feld, Region, Land untersucht; die zeitliche Skala umfasst Zeiträume von wenigen Jahren bis ca. 100 Jahre. Das Tätigkeitsfeld adressiert alle Typen landwirtschaftlicher Böden. Methodisch wird mit prozessorientierten mathematischen Modellen, mit Manipulationsexperimenten, mit Langzeitversuchen sowie mit Gradienten gearbeitet. Eine Verzahnung von empirischen Ergebnissen und Modellanwendung soll das Rechnen von Szenarien ermöglichen, in denen die Auswirkung derzeitiger und zukünftiger Bewirtschaftung auf die Bodenkohlenstoffgehalte quantifiziert wird. Dabei wird eine Homogenisierung der Methodik mit derjenigen, wie sie im nationalen Treibhausgasinventar genutzt und weiterentwickelt wird, angestrebt.

Das Tätigkeitsfeld umfasst drei Stufen der Forschung und Implementierung, die zeitgleich stattfinden:
Teilziel 1, Grundlagen: Generierung von Prozesswissen im Bereich Dynamik des Bodenkohlenstoffs. Als Schwerpunkte werden organische Böden, Pflanzenkohle, Gebirgsböden und Unterböden untersucht. Bei Mineralböden ist das Ziel ein verbessertes Prozessverständnis (z.B. Rolle der Unterbodeneinträge; priming; Substratnutzungseffizienz), die Quantifizierung der Effekte der Faktoren Klima, N-Deposition und Bewässerung bei Gebirgsböden, die Erweiterung bestehender Boden-C-Modelle auf den Unterboden und die Co-Simulation von Radiokohlenstoff. Für organische Böden wird die Weiterentwicklung und Validierung von Messmethoden zur Abschätzung der C-Verluste nach Entwässerung angestrebt sowie ein grundlegendes Verständnis darüber, welche Faktoren den C-Verlust steuern. Die Forschung im Bereich Pflanzenkohle hat zum Ziel, Parameter zur Charakterisierung der Pflanzenkohlequalität zu entwickeln und die Auswirkung ihrer Anwendung auf den C- und N-Haushalt des Agrarökosystems zu quantifizieren.
Teilziel 2, Modellvalidierung und Anwendung: Validierung und Weiterentwicklung von dynamischen Simulationsmodellen und von Humusbilanzierungen. Simuliert werden landwirtschaftliche mineralische Oberböden aus Langzeitbeobachtungen mit dem Ziel, die Auswirkung von Landnutzungswandel und der Bewirtschaftungsmassnahmen organische Düngung, Fruchtfolge, Zwischenkulturen auf den C-Haushalt von Böden an unterschiedlichen Standorten zu quantifizieren.
Teilziel 3, Inventarisierung, Szenarien, Handlungsempfehlungen: Quantifizierung der derzeitigen und zukünftigen CO2-Quellen und Senken in landwirtschaftlichen Böden für das Schweizer Treibhausgasinventar. Weiterentwicklung der Berichterstattung LULUCF und Anpassung an die revidierten IPCC guidelines. Revision der Fläche genutzter organischer Böden und ihres Zustandes. Simulation von landwirtschaftlichen Szenarien (z.B. Nutzungsintensitäten) und ihre Auswirkung auf den Bodenkohlenstoff (Mineralböden). Entwicklung erster Handlungsempfehlungen für die Nutzung organischer Böden.

Neue Kenntnisse/Literatur (Deutsch)

Budge, K., Leifeld, J., Hiltbrunner, E., Fuhrer, J., 2011. Alpine grassland soils contain large proportion of labile carbon but indicate long turnover times. Biogeosciences 8: 1911-1923.

Conant, R.T., Ryan, M.G., Ågren, G.I. et al., 2011. Temperature and soil organic matter decomposition rates – synthesis of current knowledge and a way forward. Global Change Biology 17: 3392-3404.

Köck, K., Leifeld, J., Fuhrer, J. 2013. A model-based inventory of sinks and sources of CO₂ in agricultural soils: development of a concept. Forschungsanstalt Agroscope, Zürich, 189 pp.

Leifeld, J., 2013. Prologue paper: Soil carbon losses from land-use change and the global agricultural greenhouse gas budget. Science of the Total Environment, doi.org/10.1016/j.scitotenv.2013.03.050.

Leifeld, J., 2013. Low-input farming: a way towards climate friendly agriculture? Carbon Management 4: 31-41.

Leifeld, J., von Lützow, M., 2013 Chemical and microbial activation energies of soil organic matter decomposition. Biology and Fertility of Soils, doi.10.1007/s00374-013-0822-6.

Leifeld, J., Bassin, S., Conen, F. et al., 2013. Control of soil pH on turnover of belowground organic matter in subalpine grassland. Biogeochemistry 112: 59-69.

Leifeld, J., Angers, D.A., Chenu, C. et al., 2013. Organic farming gives no climate change benefit through soil carbon sequestration. Proceedings of the National Academy of Sciences 110, 301.

Leifeld, J., Ammann, C., Neftel, A., Fuhrer, J., 2011. A comparison of repeated soil inventory and carbon flux budget to detect soil carbon stock changes after conversion from cropland to grasslands. Global Change Biology 17: 3366-3375.

Leifeld, J., Müller, M., Fuhrer, J., 2011. Peatland subsidence and carbon loss from drained temperate fens. Soil Use and Management 27: 170-176.

Leifeld, J., Fuhrer, J., 2010. Organic farming and soil carbon sequestration – what do we really know about the benefits? Ambio 39: 585-599.

Meyer, S., Leifeld, J., Bahn, M., Fuhrer, J., 2012. Free and protected soil organic carbon dynamics respond differentially to abandonment of mountain grassland. Biogeosciences 9: 853-865.

Regnier, P., Friedlingstein, P., Ciais, P. et al., 2013. Global carbon budget and its anthropogenic perturbation in the land-ocean aquatic continuum. Nature Geoscience 6: 597-607.

Schmidt, H.P., Abiven, S., Kammann, C. et al., 2012: Guidelines for biochar production - European Biochar Certificate. Delinat Institute und Biochar Science Network, Ayent, 16 pp.

Kunden/Berichterstattung (Deutsch)

• BAFU, Sektion Klimaberichterstattung
• BAFU, Sektion Luftqualität
• BLW, Direktionsbereich Strategie und Evaluation, Fachbereich Ökologie
• Bodenschutzfachstelle Kanton Bern
• Agridea
• Forschungspartner (ETH, Universitäten Basel, Bern, Zürich; diverse Partner Ausland)

Neben dem Agroscope-internen Wissenstransfer (Kolloquien, Berichte, ASPSA) werden im Tätigkeitsfeld eine Reihe qualitativ hochwertiger Publikationen mit externer Begutachtung (peer-review) in unterschiedlichsten Zeitschriften (national, international) veröffentlicht werden. Aufgrund der Erfahrung der letzten Jahre sind pro Jahr jeweils 6-9 begutachtete Artikel in internationalen Zeitschriften und 2-3 sonstige Artikel zu erwarten. Bei der Berichterstattung innerhalb der Drittmittelprojekte sind diejenigen an das BAFU wegen ihres Umfangs und nationalen impacts relevant. Da zwei der Drittmittelprojekte im NFP 68 platziert sind, spielt der im NFP 68 implementierte Wissenstransfer, der insbesondere auf die Vernetzung innerhalb der Schweizer Forschungslandschaft abzielt, eine wesentliche Rolle. Daneben wird es am BAFU einen jährlich tagenden runden Tisch zum Thema Moorschutz/Klimaschutz geben. Eine wichtige Funktion für die internationale Sichtbarkeit spielen daneben die Mitgliedschaften / Beiträge a) zur Global Research Alliance on Agricultural Greenhouse Gases und b) zum COST Projekt ‚Biochar as option for sustainable resource management‘.