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KOBRA - Dokumentenserver der Universität Kassel  → Fachbereiche  → FB 16 Elektrotechnik / Informatik  → Umweltsystemtechnik  → Dissertationen 

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Title: Räumliche Modellierung der Dynamik von Landnutzung in Hessen und ihrer Wirkung auf die biologische Kohlenstoffspeicherung - Entwicklung eines GIS-basierten Modellsystems
Authors: Schaldach, Rüdiger
???metadata.dc.subject.ddc???: 004 - Informatik (Data processing Computer science)
Issue Date: 8-Nov-2004
Abstract: Die gegenwärtige Entwicklung der internationalen Klimapolitik verlangt von Deutschland eine Reduktion seiner Treibhausgasemissionen. Wichtigstes Treibhausgas ist Kohlendioxid, das durch die Verbrennung fossiler Energieträger in die Atmosphäre freigesetzt wird. Die Reduktionsziele können prinzipiell durch eine Verminderung der Emissionen sowie durch die Schaffung von Kohlenstoffsenken erreicht werden. Senken beschreiben dabei die biologische Speicherung von Kohlenstoff in Böden und Wäldern. Eine wichtige Einflussgröße auf diese Prozesse stellt die räumliche Dynamik der Landnutzung einer Region dar. In dieser Arbeit wird das Modellsystem HILLS entwickelt und zur Simulation dieser komplexen Wirkbeziehungen im Bundesland Hessen genutzt. Ziel ist es, mit HILLS über eine Analyse des aktuellen Zustands hinaus auch Szenarien über Wege der zukünftigen regionalen Entwicklung von Landnutzung und ihrer Wirkung auf den Kohlenstoffhaushalt bis 2020 zu untersuchen. Für die Abbildung der räumlichen und zeitlichen Dynamik von Landnutzung in Hessen wird das Modell LUCHesse entwickelt. Seine Aufgabe ist die Simulation der relevanten Prozesse auf einem 1 km2 Raster, wobei die Raten der Änderung exogen als Flächentrends auf Ebene der hessischen Landkreise vorgegeben werden. LUCHesse besteht aus Teilmodellen für die Prozesse: (A) Ausbreitung von Siedlungs- und Gewerbefläche, (B) Strukturwandel im Agrarsektor sowie (C) Neuanlage von Waldflächen (Aufforstung). Jedes Teilmodell umfasst Methoden zur Bewertung der Standorteignung der Rasterzellen für unterschiedliche Landnutzungsklassen und zur Zuordnung der Trendvorgaben zu solchen Rasterzellen, die jeweils am besten für eine Landnutzungsklasse geeignet sind. Eine Validierung der Teilmodelle erfolgt anhand von statistischen Daten für den Zeitraum von 1990 bis 2000. Als Ergebnis eines Simulationslaufs werden für diskrete Zeitschritte digitale Karten der Landnutzugsverteilung in Hessen erzeugt. Zur Simulation der Kohlenstoffspeicherung wird eine modifizierte Version des Ökosystemmodells Century entwickelt (GIS-Century). Sie erlaubt einen gesteuerten Simulationslauf in Jahresschritten und unterstützt die Integration des Modells als Komponente in das HILLS Modellsystem. Es werden verschiedene Anwendungsschemata für GIS-Century entwickelt, mit denen die Wirkung der Stilllegung von Ackerflächen, der Aufforstung sowie der Bewirtschaftung bereits bestehender Wälder auf die Kohlenstoffspeicherung untersucht werden kann. Eine Validierung des Modells und der Anwendungsschemata erfolgt anhand von Feld- und Literaturdaten. HILLS implementiert eine sequentielle Kopplung von LUCHesse mit GIS-Century. Die räumliche Kopplung geschieht dabei auf dem 1 km2 Raster, die zeitliche Kopplung über die Einführung eines Landnutzungsvektors, der die Beschreibung der Landnutzungsänderung einer Rasterzelle während des Simulationszeitraums enthält. Außerdem integriert HILLS beide Modelle über ein dienste- und datenbankorientiertes Konzept in ein Geografisches Informationssystem (GIS). Auf diesem Wege können die GIS-Funktionen zur räumlichen Datenhaltung und Datenverarbeitung genutzt werden. Als Anwendung des Modellsystems wird ein Referenzszenario für Hessen mit dem Zeithorizont 2020 berechnet. Das Szenario setzt im Agrarsektor eine Umsetzung der AGENDA 2000 Politik voraus, die in großem Maße zu Stilllegung von Ackerflächen führt, während für den Bereich Siedlung und Gewerbe sowie Aufforstung die aktuellen Trends der Flächenausdehnung fortgeschrieben werden. Mit HILLS ist es nun möglich, die Wirkung dieser Landnutzungsänderungen auf die biologische Kohlenstoffspeicherung zu quantifizieren. Während die Ausdehnung von Siedlungsflächen als Kohlenstoffquelle identifiziert werden kann (37 kt C/a), findet sich die wichtigste Senke in der Bewirtschaftung bestehender Waldflächen (794 kt C/a). Weiterhin führen die Stilllegung von Ackerfläche (26 kt C/a) sowie Aufforstung (29 kt C/a) zu einer zusätzlichen Speicherung von Kohlenstoff. Für die Kohlenstoffspeicherung in Böden zeigen die Simulationsexperimente sehr klar, dass diese Senke nur von beschränkter Dauer ist.The current development in international climate policy requires Germany to reduce its greenhouse gas emissions. The most important greenhouse gas is carbon dioxide which is released into the atmosphere by combustion processes. In principle, reduction goals can be attained by decreasing emissions and by establishing carbon sinks. The term sinks describes the biological sequestration of carbon in soils and forests. An important driver of these processes are the spatial dynamics of land use in a region. This dissertation describes the development of the model system HILLS and its application to simulate these complex interactions in the state of Hesse. The application of HILLS not only aims at analysing the current situation but also at exploring scenarios of future regional developments and their effects on the regional carbon budget up to the year 2020. The LUCHesse model is developed to map the spatial-temporal dynamics of land use in Hesse. Its task is to simulate the relevant processes on a 1 km2 grid, whereas rates of change are provided as exogenous area trends on the level of the Hessian departments. LUCHesse consists of sub-models for the processes: (A) Expansion of settlement and industrial area, (B) Structural change of the agricultural sector and (C) Establishment of new forest area (afforestation). Each sub-model provides methods to evaluate the suitability of grid cells for different land use classes as well as methods to allocate the area trends to the most suitable cells for each land use class. For validation of the sub-models, statistical data for the period from 1990 to 2000 have been used. A simulation run generates digital land use maps of Hesse for discrete time steps. For the simulation of carbon sequestration, a modified version of the ecosystem model Century has been developed (GIS-Century). It allows for a controlled simulation run in yearly time steps and supports the integration of the model into the HILLS environment. Various application schemes have been developed to use GIS-Century to assess the effects of abandonment of cropland, afforestation and management of existing forests on carbon sequestration. Validation of the model and of the application schemes has been done with field and literature data. HILLS implements the sequential coupling of the models LUCHesse and GIS-Century. Spatial coupling is realized on the 1 km2 grid while temporal coupling is achieved by the introduction of a so-called “land use vector” that contains information on the grid cell’s land use change during the simulation period. Furthermore, HILLS uses service- and database-oriented concepts to integrate both models into a Geographic Information System (GIS). This allows the use of GIS-functions for spatial data storage and data processing. As a first application, the HILLS model system has been used to calculate a reference scenario for Hesse with the time horizon 2020. Concerning the agricultural sector, the scenario assumes the implementation of the AGENDA 2000 policy leading to a considerable decrease of agricultural land while for settlement and industry as well as for afforestation the current development trends of expanding areas are extrapolated into the future. With HILLS it has been possible to quantify the impacts of these land use changes on carbon sequestration. While urbanization can be identified as a potential source of carbon emissions (37 kt C/a), the major carbon sink can be seen in forest management (794 kt C/a). Furthermore the abandonment of cropland (26 kt C/a) together with afforestation (29 kt C/a) lead to additional carbon sequestration in soils. Regarding carbon sequestration in soils, the simulation experiments clearly show that this sink is of limited duration only.
URI: urn:nbn:de:hebis:34-1335
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