Auswirkungen des regionalen Klimawandels auf die Entwicklung der Biomasseerträge ausgewählter landwirtschaftlicher Nutzpflanzen in Niedersachsen
Impacts of regional climate change on the developement of biomass yields of selected crops in Lower Saxony, Germany
von Jan Degener
Datum der mündl. Prüfung:2013-12-03
Erschienen:2013-12-13
Betreuer:Prof. Dr. Martin Kappas
Gutachter:Prof. Dr. Martin Kappas
Gutachter:Prof. Dr. Gerhard Gerold
Gutachter:Prof. Dr. Wilfried Endlicher
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Format:PDF
Description:Dissertation
Zusammenfassung
Englisch
Lower Saxony (total land area about 46,500 km2) constitutes one of the most important agricultural areas in Germany and thus within Europe. However today, there exists no comprehensive account on the impacts of climate change on its current crop system. Therefore the following approach was devised to tackle this problem. A large regional climate dataset (Wettreg2010 data) comprising temperature and precipitation data for the entire 21st century in a spatial resolution of 100 × 100m and a temporal resolution of 10 days was used as the input for the recently developed crop model BioStar. BioStar is a robust carbon-based crop model that uses input variables (precipitation, temperature, global radiation, air-humidity and wind speed) and the prevalent soil moisture system (field capacity) for the computation of crop biomass. Effectively four winter crops (wheat, barley, rye, triticale), three maize varieties (differentiated by their respective date of maturity) and three more crops (sunflower, sorghum & spring wheat) where modeled on a total of 90.000 agricultural sites all over Lower Saxony for each year of the 21st century. The modeling took the changing atmospheric CO2 concentrations as described under the IPCC Scenario A1B and their assumed fertilization effect into account. Much will depend on this actual fertilization effect, as the results show stagnating or positive developments if fully included and throughout all plants negative development pathways if neglected. A decrease in summer precipitation will be the most limiting factor, followed by increasing temperatures. The most fertile arable areas will shift towards the west — though there are also some areas in the east that benefit greatly from the changing climate. The hill sites east of Braunschweig are one example, while increasing yields are present throughout the entire century, they are too low in absolute numbers to level with those from the western parts. Two main factors will be key to the crop development in the decades to come: summer precipitation and atmospheric CO2 concentration. Whereas the first will dramatically decrease and thus diminish yields, the second will counteract that and will even manage to increase the yields. Thus, the magnitude of both effects will play a critical role in the actual development of Lower Saxony’s agricultural yield development. This will have, first and foremost, implications for winter wheat, as there will be almost no change in its yields even under elevated CO2 conditions. The south of Lower Saxony currently holds the best soils and growing conditions for winter wheat. However this area will suffer heavily from decreasing summer precipitation and thus the area of cultivation for wheat will certainly come under pressure. This does have global implications in regard to failing wheat harvests around the world. Notwithstanding this, barley and spring wheat will have a tendency towards a positive yield development, for both show a relatively high independence from atmospheric CO2 concentrations and barley from the decrease in summer precipitation as well. An interesting development is also anticipated for the different maize varieties. In contrast to other studies that only use „maize“ for modelling, three varieties have been used here, distingiushed by an early, medium and late maturity date. These varieties show clearly greater differences in their development compared to the different grain tribes wheat, rye and triticale that behave rather similar in their yield development. While the medium maize variety shows the most negative future pathway of all plants discussed in this work, the late variety is the plant with the highest increase in biomass yields over the century.
Keywords: climate change; agriculture; regional climate change; Wettreg; BioStar; biomass; maize; rye; wheat; barley; sorghum; Lower Saxony; Germany; spring wheat; sunflower
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Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Betrachtung der regionalen Klimawandelfolgen auf die
landwirtschaftlichen Erträge des agrarintensiven Landes Niedersachsen. Zu diesem Zweck wurde
das neuentwickelte robuste Pflanzenmodell BioStar herangezogen um mittels hochaufgelösten
(100 × 100 m) Wettreg Klimadaten des 21. Jahrhunderts die Entwicklung der Biomasseerträge
von vier Wintergetreiden (Weizen, Gerste, Roggen & Triticale), drei Maissorten (differenziert
nach Reifezeitpunkt) und drei weiterer Feldfrüchte (Sonnenblume, Sorghum & Sommerweizen)
zu modellieren.
Bei dem Pflanzenmodell BioStar handelt es sich um ein kohlenstoffbasiertes Pflanzenmodell,
mit dem anhand von Eingangsklimadaten (Niederschlagshöhe, Temperatur, Globalstrahlung,
Luftfeuchte und Windgeschwindigkeit) und dem verfügbaren Bodenwasser (Feldkapazität) der
Ertragszuwachs im Verlauf der Vegetationsperiode simuliert wird. Das Modell eignet sich für
die Thematik insbesondere auch deshalb, da es an der Universität Göttingen entwickelt und auf
Niedersächsischen Standorten validiert wurde.
Die zur Modellierung benötigten Bodenparameter wurden der Niedersächsischen BÜK50n
entnommen. Dabei kamen nur Flächen zur Anwendung, die nach der Corine Landbedeckungserhebung
von 2005 zu den landwirtschaftlich genutzten Flächen in Niedersachsen zählen. Die
mittlere Größe dieser gut 90.000 Flächen liegt damit um 33 ha.
Die Entwicklung wird unter Berücksichtigung des IPCC Szenarios A1B sowie des CO2-Düngeeffekts
bis zum Ende des Jahrhunderts pflanzenabhängig stagnierend bis deutlich positiv verlaufen,
wovon allerdings nicht alle Regionen in gleicher Weise profitieren können. Insgesamt
verschieben sich die landwirtschaftlichen Gunstgebiete weiter nach Westen — was aber durch
die bessere Entwicklung des Westens und nicht in einer negativen Entwicklung der östlichen
Flächen begründet ist. Das Ostbraunschweigische Hügelland ist meist unter den Regionen mit
der besten Entwicklung, kann im absoluten Vergleich aber nie zu den guten landwirtschaftlichen
Standorten aufschließen. Größter Verlierer wird den Ergebnissen nach das südliche Hügelland
sein, das über die kommenden Jahrzehnte zusehends schlechtere Voraussetzungen für den Pflanzenanbau
bietet.
Die gesamte Entwicklung wird dabei aber erst ab etwa der Jahrhunderthälfte einsetzen, vorher
lassen sich für den Großteil der Pflanzen kaum Veränderungen konstatieren. In den kommenden
20 Jahren zeigt nur die Gerste deutliche Anzeichen eines Ertragszuwachses und mittelreifender
Mais eines Ertragsrückgangs. Bis 2099 kehrt sich dieser Trend dann wieder um. Eigentlich alle
Feldfrüchte zeigen spätestens zum Jahrhundertende eine positive Entwicklungstendenz, wenn
Winterweizen, Winterroggen und Wintertriticale auch nur vergleichsweise schwach.
Die beiden hauptausschlaggebenden Entwicklungsfaktoren werden in Zukunft zum einen die
atmosphärische CO2-Konzentration sein, über deren Düngeeffekt die Erträge positiv beeinfluss
werden. Ihr stehen die abnehmenden Sommerniederschläge gegenüber, die sich deutlich negativ
auf die Erträge auswirken. Vieles wird in Zukunft davon abhängen, inwieweit diese Niederschläge
tatsächlich zurückgehen werden und wie stark der CO2-Düngeeffekt tatsächlich ausfallen wird.
Ungeachtet dessen werden sich aber die Wintergerste und der Sommerweizen dennoch tendenziell
positiv entwickeln können, da beider Entwicklung relativ unabhängig von den CO2-
Konzentrationen verläuft, wobei die Gerste zusätzlich weniger anfällig auf sinkende Sommerniederschläge
reagiert.
Interessant wird auch die Entwicklung des Maises werden. Im Gegensatz zu anderen Studien
die nur mit „Mais“ modellieren, wurde hier auf früh-, mittel- und spätreifende Sorten zurückgegriffen.
Die unterschiedlichen Sorten besitzen über das Jahrhundert deutlich größere Unterschiede
als etwa die Arten Weizen, Roggen und Triticale. Während mittelreifender Mais die
schlechtesten Aussichten, eigentlich unter allen behandelten Pflanzen, besitzt, wird spätreifender
Mais mit den deutlichsten Ertragszuwächsen im kommenden Jahrhundert rechnen können.
Schlagwörter: Klimawandel; regionaler Klimawandel; Landwirtschaft; Wettreg; Biomasse; Mais; Roggen; Weizen; Gerste; Sorghum; Niedersachsen; Deutschland; Sommerweizen; Sonnenblume