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KOBRA
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KOBRA - Dokumentenserver der Universität Kassel  → Wissenschaftliche Zentren  → WZ für Umweltsystemforschung (CESR)  → Dissertationen (aus den beteiligten Instituten) 

Please use this identifier to cite or link to this item: http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:hebis:34-2010080933929

Titel: Modeling the interplay between land use, bioenergy production and climate change
Autor(en): Lapola, David Montenegro
Schlagworte (SWD): LandnutzungBiokraftstoff
Klassifikation (DDC): 550 - Geowissenschaften (Earth sciences)
Issue Date: 9-Aug-2010
Zusammenfassung: Land use has become a force of global importance, considering that 34% of the Earth’s ice-free surface was covered by croplands or pastures in 2000. The expected increase in global human population together with eminent climate change and associated search for energy sources other than fossil fuels can, through land-use and land-cover changes (LUCC), increase the pressure on nature’s resources, further degrade ecosystem services, and disrupt other planetary systems of key importance to humanity. This thesis presents four modeling studies on the interplay between LUCC, increased production of biofuels and climate change in four selected world regions. In the first study case two new crop types (sugarcane and jatropha) are parameterized in the LPJ for managed Lands dynamic global vegetation model for calculation of their potential productivity. Country-wide spatial variation in the yields of sugarcane and jatropha incurs into substantially different land requirements to meet the biofuel production targets for 2015 in Brazil and India, depending on the location of plantations. Particularly the average land requirements for jatropha in India are considerably higher than previously estimated. These findings indicate that crop zoning is important to avoid excessive LUCC. In the second study case the LandSHIFT model of land-use and land-cover changes is combined with life cycle assessments to investigate the occurrence and extent of biofuel-driven indirect land-use changes (ILUC) in Brazil by 2020. The results show that Brazilian biofuels can indeed cause considerable ILUC, especially by pushing the rangeland frontier into the Amazonian forests. The carbon debt caused by such ILUC would result in no carbon savings (from using plant-based ethanol and biodiesel instead of fossil fuels) before 44 years for sugarcane ethanol and 246 years for soybean biodiesel. The intensification of livestock grazing could avoid such ILUC. We argue that such an intensification of livestock should be supported by the Brazilian biofuel sector, based on the sector’s own interest in minimizing carbon emissions. In the third study there is the development of a new method for crop allocation in LandSHIFT, as influenced by the occurrence and capacity of specific infrastructure units. The method is exemplarily applied in a first assessment of the potential availability of land for biogas production in Germany. The results indicate that Germany has enough land to fulfill virtually all (90 to 98%) its current biogas plant capacity with only cultivated feedstocks. Biogas plants located in South and Southwestern (North and Northeastern) Germany might face more (less) difficulties to fulfill their capacities with cultivated feedstocks, considering that feedstock transport distance to plants is a crucial issue for biogas production. In the fourth study an adapted version of LandSHIFT is used to assess the impacts of contrasting scenarios of climate change and conservation targets on land use in the Brazilian Amazon. Model results show that severe climate change in some regions by 2050 can shift the deforestation frontier to areas that would experience low levels of human intervention under mild climate change (such as the western Amazon forests or parts of the Cerrado savannas). Halting deforestation of the Amazon and of the Brazilian Cerrado would require either a reduction in the production of meat or an intensification of livestock grazing in the region. Such findings point out the need for an integrated/multicisciplinary plan for adaptation to climate change in the Amazon. The overall conclusions of this thesis are that (i) biofuels must be analyzed and planned carefully in order to effectively reduce carbon emissions; (ii) climate change can have considerable impacts on the location and extent of LUCC; and (iii) intensification of grazing livestock represents a promising venue for minimizing the impacts of future land-use and land-cover changes in Brazil.Landnutzung ist zu einer Einflussgröße von globaler Bedeutung geworden, betrachtet man die Tatsache, dass im Jahr 2000 bereits 34% der eisfreien Oberfläche unseres Globus durch Acker- und Weideland bedeckt waren. Die erwartete Zunahme der Weltbevölkerung, nebst dem spürbaren Klimawandel und der damit einhergehenden Suche nach alternativen Energiequellen, um fossile Brennstoffen zu substituieren, können durch resultierende Landnutzungs- und Landbedeckungsänderungen (LUCC) den Druck auf die Ressourcen der Natur erhöhen, ferner Ökosystemdienstleistungen abbauen und andere Umweltsysteme mit Schlüsselfunktionen für die Menschheit zerstören. Diese Doktorarbeit legt vier Modellierungsstudien über das Wechselspiel zwischen LUCC, der zunehmenden Produktion von Biotreibstoffen und des Klimawandels für vier definierte Regionen dieser Welt vor. In der ersten Studie werden zwei neue Feldfrüchte (Zuckerrohr und Jatropha) für das dynamische und global operierende Vegetationsmodell „LPJ for Managed Land“ parametrisiert, um die potentiellen Erträge dieser zwei Feldfrüchte zu bestimmen. Für Indien und Brasilien treten jeweils innerhalb des Landes starke Schwankungen der Erträge von Zuckerrohr und Jatropha auf. Diese räumlichen Ertragsschwankungen führen, je nach Standort des Anbaugebiets, zu unterschiedlichen Flächenverbräuchen unter Berücksichtigung der Produktionsziele von Biokraftstoffen für 2015 in Indien und Brasilien. Insbesondere ist der Bedarf an Anbaufläche für Jatropha in Indien höher als vorher geschätzt. Die Forschungsergebnisse weisen darauf hin, dass eine Einschränkung des Biokraftstoffanbaus notwendig ist, um exzessive LUCC zu vermeiden. Die zweite Studie untersucht anhand der Verknüpfung des Landnutzungsmodells LandSHIFT und einer Ökobilanzierung das Ausmaß und das räumliche Auftreten von indirekten Landnutzungsänderungen (ILUC) für Brasilien im Jahr 2020. Es wird gezeigt, dass Biotreibstoffe tatsächlich beträchtliche ILUC verursachen können, v.a. durch das Eindringen von Viehweideland in den amazonischen Regenwald. Die Kohlenstoffschuld, die durch ILUC verursacht wird (durch die Substitution von fossilen Energieträgern durch Bioethanol und - diesel), würde erst nach 44 Jahren durch Ethanol aus Zuckerrohr und nach 246 Jahren durch Biodiesel aus Jatropha kompensiert werden. Eine Intensivierung der Viehweidewirtschaft könnte ILUC unterbinden. Wir argumentieren, dass die Erhöhung der Viehbestandsdichte durch den brasilianischen Biotreibstoffsektor unterstützt werden sollte, um auch im eigenen Interesse die Kohlenstoffemissionen zu reduzieren. In der dritten Studie wurde eine neue Methode auf Basis von Infrastrukturinformationen für die Allokation von Feldfrüchten in LandSHIFT entwickelt. Diese Methode wird exemplarisch für Deutschland angewandt, um die potentielle Verfügbarkeit von Agrarland für die Biogasproduktion abzuschätzen. Die erzielten Ergebnisse machen deutlich, dass in Deutschland ausreichend Land zur Verfügung steht, um nahezu alle (90-98%) Kapazitäten von Biogasanlagen mit angebauten Rohstoffen zu versorgen. Biogasanlagen in Süd- und Südwestdeutschland (Nord- und Nordostdeutschland) könnten größeren (geringeren) Schwierigkeiten begegnen ihre Kapazitäten mit nachwachsenden Rohstoffen zu erfüllen, in Anbetracht der Tatsache, dass der Transport ein kritischer Kernpunkt für die Biogasproduktion ist. Die vierte Studie nutzt eine adaptierte Version von LandSHIFT mit dem Ziel den Einfluss verschiedener Klimaszenarien und Naturschutzmassnahmen auf die Landnutzung im brasilianischen Amazonas zu bemessen. Die Modellergebnisse belegen, dass bis zum Jahr 2050 durch schwerwiegende Klimaveränderungen die Entwaldungssgrenze tiefer in den Amazonas eindringen kann als unter milderen Klimaveränderungen (z.B. im westlichen Amazonas und in Teilen der Cerrado-Savannen). Der Versuch die Entwaldung im Amazonas und den Cerrado-Savannen aufzuhalten, würde entweder eine Verminderung der Fleischproduktion oder die Aufstockung der Viehbestandsdichte voraussetzen. Diese Ergebnisse machen darauf aufmerksam, dass eine Notwendigkeit für einen integrierten/multidisziplinaren Plan besteht, um Klimaanpassungsstrategien im Amazonas zu entwickeln. Die allumfassenden Schlussfolgerungen dieser Doktorarbeit zeigen, dass (i) eine sorgfältige Analyse und Planung für den Anbau von Biokraftstoffen erfolgen muss, um den Kohlenstoffausstoß wirksam zu reduzieren; (ii) der Klimawandel einen beträchtlichen Einfluss auf das räumliche Auftreten und das Ausmaß of LUCC haben kann; und (iii) die Intensivierung der Viehweidewirtschaft ein vielversprechenden Ansatz repräsentiert, um die Auswirkungen von zukünftiger Landnutzung und Landnutzungsänderungen in Brasilen zu minimieren.
URI: urn:nbn:de:hebis:34-2010080933929
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