Optimising management strategies on permanent grassland in the temperate zone in order to increase carbon sequestration, meet yield demands and ensure resilience to future climate change

Evaluations based on long-term simulations

by Matthias Robert Filipiak
Cumulative thesis
Date of Examination:2025-01-07
Date of issue:2025-02-14
Advisor:Dr. Katrin Kuka
Referee:Prof. Dr. Jörg-Michael Greef
Referee:Prof. Dr. Johannes Isselstein
Referee:Prof. Dr. Stefan Siebert
Sponsor:Federal Ministry of Food and Agriculture (BMEL) [grant number 2818300916]
Persistent Address: http://dx.doi.org/10.53846/goediss-11036

 

 

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Description:Dissertation Matthias Robert Filipiak

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Abstract

English

Future climate change will require agricultural management to adapt to increasing air temperatures and changing precipitation patterns while simultaneously providing food, fodder and biomass, and maintaining a variety of ecosystem services. The sequestration of atmospheric carbon dioxide into the atmosphere as soil organic carbon (SOC) is thereby a key measure not only in improving the soil quality but also to counterbalance emissions of e.g. methane or nitrous oxide associated with agricultural production, thereby adhering to global and national climate policy goals. This thesis provides a guideline for sustainable land use for policy-makers and farmers by comparing the impact of long-term arable and grassland use on the chemical soil properties, which determine the soil’s ability to store and provide nutriens, limit emissions of greenhouse gases (GHG) and leaching of nutrients, as well as its overall fertility. As part of a review, several management practices aimed at improving these properties were identified, e.g. introduction of a biodiverse, permanent vegetation, growing legumes and catch crops, implementing grassland phases in an arable rotation, reduction of tillage on arable land, prefering grazing over mowing on grassland, and increasing inputs of organic matter by e.g. retaining harvest residues or increasing inputs of organic fertilisers. In order to explore the SOC sequestration potential on a national and regional scale, simulations using the CANDY model were performed by applying 18 future climate change scenarios until the year 2100 and contrasting management regimes on several representative sites. The simulations identified regions of high priority due to either high risks for SOC losses under suboptimal management or a potential for high SOC gains, which may guide future decision-making in environmental policies. Particularly sandy or silty sites with low summer precipitation are at high risk of SOC losses. In contrast, particularly sites in low-mountainous to alpine regions will benefit from future climate change and therewith expected increasing air temperatures due to no dryness stress occuring in such regions even under the most extreme climate scenarios. The therereby extended duration of the vegetation period will promote plant growth and rhizodepisition. The SOC sequestration potential on both the national and regional scale is highest on clay-rich soils under intensive, particularly grazing, management. However, intensive grasslands on clay-rich soils also have the highest risk of SOC losses as a result of soil compaction according to the simulations, rendering them sites of high priority. Furthermore, high intensification can be accompanied by a decline in biodiversity, which in turn is a high priority in many regions and also contributes to improving both soil quality and SOC storage. The findings of this thesis therefore represent a rough guideline, whereby specific recommendations for management intensity must always be made taking into account potential trade offs at site level.
Keywords: Temperate grassland; Simulations; Scenarios; Climate change; Carbon sequestration; SOC

German

Der künftige Klimawandel wird landwirtschaftliche Bewirtschaftungsstrategien erfordern, die sich an die steigenden Lufttemperaturen und die sich ändernden Niederschlagsmuster anpassen und gleichzeitig Nahrungsmittel, Futtermittel und Biomasse bereitstellt sowie eine Vielzahl von Ökosystemleistungen erhalten. Die Speicherung von atmosphärischem Kohlendioxid in die Atmosphäre als organischer Kohlenstoff (Corg) im Boden ist dabei eine wichtige Maßnahme, um nicht nur die Bodenqualität zu verbessern, sondern auch die mit der landwirtschaftlichen Produktion einhergehenden Emissionen durch beispielsweise Methan oder Lachgas auszugleichen und so die globalen und nationalen klimapolitischen Ziele einzuhalten. In dieser Dissertation wurden Strategien für eine nachhaltige, klimaangepasste Landnutzung für politische Entscheidungsträger und Landwirte erstellt. Dabei wurden die Auswirkungen einer langfristigen Acker- und Grünlandnutzung auf die chemischen Bodeneigenschaften verglichen, welche die Fähigkeit des Bodens bestimmen, Nährstoffe zu speichern und bereitzustellen, Emissionen von Treibhausgasen (THG) und die Auswaschung von Nährstoffen zu reduzieren, sowie seine Fruchtbarkeit zu verbessern. Im Rahmen einer Literaturrecherche wurden mehrere Bewirtschaftungspraktiken zur Verbesserung dieser Eigenschaften identifiziert, wie die Einführung einer artenreichen Dauervegetation, der Anbau von Leguminosen und Zwischenfrüchten, die Einführung von Grünlandphasen in einer Ackerfruchtfolge, die Verringerung der Bodenbearbeitung auf Ackerland, die Bevorzugung der Beweidung gegenüber dem Mähen von Grünland, und die Erhöhung des Eintrags organischer Stoffe, z. B. durch die Rückhaltung von Ernterückständen oder den verstärkten Einsatz organischer Düngemittel. Um das Potenzial der Corg-Speicherung sowohl auf nationaler als auch auf regionaler Ebene zu prüfen, wurden Simulationen mit dem CANDY-Modell durchgeführt, bei denen insgesamt 18 Szenarien des künftigen Klimawandels bis zum Jahr 2100 sowie unterschiedliche Bewirtschaftungssysteme an mehreren repräsentativen Standorten angewendet wurden. Bei den Simulationen auf nationaler Ebene wurden Regionen mit hoher Priorität identifiziert, die entweder ein hohes Risiko für Corg-Verluste bei suboptimaler Bewirtschaftung oder ein Potenzial für hohe Corg-Gewinne aufweisen, was als Leitfaden für künftige Entscheidungen in der Umweltpolitik dienen kann. Besonders sandige oder schluffige Standorte mit geringen Sommerniederschlägen sind einem hohen Risiko von Corg-Verlusten ausgesetzt. Im Gegensatz dazu werden vor allem Standorte in Mittelgebirgs- bis Alpenregionen vom zukünftigen Klimawandel und den damit zu erwartenden steigenden Lufttemperaturen profitieren, da erwartungsgemäß in solchen Regionen selbst unter den extremsten Klimaszenarien kein Trockenstress auftreten wird. Die dadurch verlängerte Dauer der Vegetationsperiode wird das Pflanzenwachstum und die Rhizodepisition fördern. Das Corg-Bindungspotenzial ist auf tonreichen Böden, sowohl auf regionaler als auch nationaler Betrachtung, bei intensiver Bewirtschaftung, insbesondere bei Beweidung, am höchsten. Intensives Grünland auf tonreichen Böden birgt den Simulationen zufolge jedoch auch das höchste Risiko von Corg-Verlusten durch Bodenverdichtung und ist damit ein Standort mit hoher Priorität. Ferner kann unter steigender Intensivierung ein Rückgang des Artenreichtums einhergehen, welches wiederum in vielen Regionen eine hohe Priorität genießt und darüber hinaus sowohl zur Verbesserung der Bodenqualität als auch Corg-Speicherung beiträgt. Daher stellen die hier gewonnenen Erkenntnisse einen groben Leitfaden dar, wobei konkrete Empfehlungen der Bewirtschaftungsintensität stets unter Berücksichtigung potenzieller Kompromisse auf standortebene auszusprechen sind.