Klima und Landnutzung

1. Klima und Landnutzung Uwe A. Schneider Forschungsstelle Nachhaltige Umweltentwicklung KlimaCampus, Universität Hamburg

2. Gliederung • Wechselwirkungen zwischen Klima und Landnutzung • Strategien zur Emissionsminderung von Treibhausgasen durch Landnutzung • Methodik für integrierte ökonomische Analyse • Einsparpotenziale von Treibhausgasen

3. Landnutzung

4. Landnutzung Klima (Umwelt) Gesellschaft

5. Klima ► Landnutzung • Pflanzliche Produktionspotenziale • Maximalertrag (Licht, Temperatur, CO2) • Wasserangebot • Schadorganismen • Bodenqualität • Erosion • Humusgehalt • Nährstoffgehalt

6. Landnutzung►Klima • Treibhausgasemissionen • Abholzung, Biomasseverbrennung • Tierhaltung, Maschinen, Agrarchemie, Transport • Treibhausgassenken • Bodenkohlenstoff und lebende Biomasse • Treibhausgasentlastungen • Biokraftstoffe und Biomaterialien • Wasserverdunstung • Lichtreflexion

7. Gesellschaft ► Landnutzung Nachfrage (Märkte & Politik) nach • Hochwertigen Nahrungsmitteln (ganzjährig) • Erneuerbaren Energien und Industrierohstoffen • Umweltschonender Produktion (Wasser, Boden, Luft, Klima, Tierschutz, Artenschutz) • Land-, Wasser-, und Energieeffizienz • Bewahrung von Kultur- und Naturlandschaften, Ländliche Entwicklung

8. Gesellschaft ► Landnutzung • Klimaschutz eines von vielen Interessen und Ansprüchen • Synergien • Konflikte Begrenztheit der Ressourcen (Land)

9. Klimawandel ► Landnutzung • Änderung der Produktionskosten (Angebot) • Änderung der Marktpreise (Nachfrage) • Änderung der politischen Instrumente (Subventionen, Steuern, Verbote, etc.) Anpassung

10. Warum Landnutzungsstrategien für Treibhausgasminderung? • Geringe Kosten • Win-Win Strategien • Zeitgewinnung • Wedges

11. Landnutzungsstrategien zur Minderung der Treibhausgasemissionen • Reduzierung des fossilen Energieverbrauchs (Gesellschaft) • Biomasse für Wärme und Elektrizität • Biokraftstoffe (Ethanol, Biodiesel, …) • Biomaterialien (Öle, Biopolymere, …)

12. Landnutzungsstrategien zur Minderung der Treibhausgasemissionen • Reduzierung des fossilen Energieverbrauchs (Landnutzung) • Verbesserung der Input-Output Verhältnisse • Standortgerechte Produktion • Präzisionslandwirtschaft

13. Landnutzungsstrategien zur Minderung der Treibhausgasemissionen • Bodenkohlenstoffspeicherung • Zwischenfruchtanbau • Pfluglose Bodenbearbeitung • Ödlandrestaurierung • Anhebung des Wasserspiegels, Wiedervernässung von Mooren • Terra Preta (Holzkohle, Dung, Kompost)

14. Landnutzungsstrategien zur Minderung der Treibhausgasemissionen • Verringerung von Methan- und Lachgasemissionen • Alternative Düngungssysteme (Einarbeitung, Menge, Typ, Inhibitoren) • Fütterungsumstellung von Wiederkäuern • Stalldung- und Güllebehandlung (Abdeckung, Vergasung) • Reismanagement

15. Landnutzungsstrategien zur Minderung der Treibhausgasemissionen • Kohlenstoffspeicherung in Biomasse • Verhinderung der Abholzung • Aufforstung • Durchforstung • Technischer Fortschritt • anwendbar auf alle Landnutzungsstrategien

16. Landnutzungsstrategien zur Minderung der Treibhausgasemissionen • Veränderung der Nachfrage und der Konsumentenpräferenzen • Weniger Fleisch • Mehr saisonale Produkte • Mehr lokale Produkte • Weniger Verarbeitung

17. Strategien zur Emissionsvermeidung • Heterogen (Ressourcen, Technologien, Strategien) • Komplex (Abhängigkeiten durch Begrenztheit von Land – keine einfache Addierung, Externe Effekte) • Dynamisch (C-Sättigung, gesellschaftliche Entwicklung) • Globale Wechselwirkungen (Handel, Emissionslecks, Klimawirkungen)

18. Potentiale der Emissionsvermeidung • Wichtig für politische Verhandlungen und Zielsetzungen • Abschätzung erfordert neutrale, integrierte, und interdisziplinäre Analyse sonst werden die Lösungen von Heute das Problem von Morgen

19. Potentiale der Emissionsverminderung Basieren auf • Kosten-Nutzen-Analyse • Erlöse ≥ Kosten Ökonomisch Technisch Basieren auf • Verfügbarkeit von Ressourcen • Wirkungsgrad der Technologien

20. Forst- und Agrarsektor- Optimierungsmodell (FASOM) • US (1993-) … Texas A&M Universität • EU (2004-) … Universität Hamburg • Global (2006-) … Internationales Institute für angewandte Systemanalyse

21. Forst- und Agrarsektor- Optimierungsmodell (FASOM) • Partielles Gleichgewichtsmodell, Bottom-Up Design • Maximiert Summe der Konsumenten und Produzentenrenten • Restriktionen durch Technologien, Ressourceverfügbarkeit, Politiken • Räumlich gegliedert, Dynamisch • Integriert und internalisiert externe Effekte • Mathematisch programmiert in GAMS

22. Mathematische Programmierung Bis zu 6 Millionen Variablen, 1 Million Gleichungen

23. Marktgleichgewicht Preis Angebot Konsumenten Rente P* Produzenten Rente Nachfrage Q* Menge

24. KR PR Marktgleichgewicht Landverfügbarkeit Waldinventar Verarbeitung Wasserangebot Produktnachfrage Arbeitskräfte Marktgleichgewicht Tierproduktion Exportnachfrage Andere Inputs Importangebot

25. FASOM Struktur Grenzen Grenzen Ressourcen Landnutzungs- Technologien Produkte Märkte Inputs Nachfrage- Funktionen, Handel Verarbeitungs- Technologien Einflüsse auf Umwelt Angebots- Funktionen Kapazitäts- grenzen

26. EUFASOM Modellsystem Climate Models Farm level & GIS Data Viable Population Analysis Spatial Analysis Tools Engineering Equations Crop & Tree Simulation Models Systematic Wetland Conservation Planning EUFASOM Other Economic Models

27. Interdisziplinarität Räumliche Heterogenität Geographie Klimawirkungen Naturwissenschaften Landnutzung Ökologie, Landwirtschafts-, und Forstwirtschaftswissenschaften Technologien Ingenieurwissenschaften Globale Märkte Ökonomie Politische Instrumente Rechts- und Politikwissenschaften

28. Heterogenität • Altitude: • < 300 m • 300-600 m • 600-1100 m • >1100 m • Slope Class: • 0-3% • 3-6% • 6-10% • 10-15% • … DE11 DE12 • Texture: • Coarse • Medium • Medium-fine • Fine • Very fine DE14 • Soil Depth: • shallow • medium • deep DE13 • Stoniness: • Low content • Medium content • High content

29. Wettbewerb

30. “The production of biomass for energy purposes may lead to competition with production of food, building materials, energy supply and medicines. This involves competition for production factors such as raw materials, land, water and labor. This must be avoided wherever possible. The translation of this theme into criteria and indicators is uncharted territory, so far it has not been included in any of the existing certification systems (Cramer Commission 2007).” Quelle: Eingereichtes Manuskript für Artikel inForest Policy and Economics (May 2009)

31. Einsparpotenziale von Treibhausgasen durch Landnutzungsänderung

32. 1 USFASOM Simulationen • Schneider, U.A., McCarl, B.A., and Schmid, E. (2007). Agricultural sector analysis on greenhouse gas mitigation in US agriculture and forestry. Agricultural Systems 94:128-140. • Lee, H.C., U.A. Schneider, McCarl, B.A., and Chen, C.C. (2007). Leakage and comparative advantage implications of agricultural participation in greenhouse gas emission mitigation. Mitigation and Adaptation Strategies for Global Change 12(4):471-494 • Schneider, U.A. and McCarl, B.A. (2006). Appraising agricultural greenhouse gas mitigation potentials: Effects of alternative assumptions. Agricultural Economics. 35(3):277-287. • Schneider, U.A. and McCarl, B.A. (2005). Implications of a carbon-based energy tax for US agriculture. Agricultural and Resource Economics Review 34(2):265-279. • Schneider, U.A. and McCarl, B.A. (2003). Economic potential of biomass based fuels for greenhouse gas emission mitigation. Environmental & Resource Economics 24(4):291-312. • McCarl, B.A. and Schneider, U.A. (2001). Climate change - Greenhouse gas mitigation in US agriculture and forestry. Science 294(5551):2481-2482

33. Vermeidungspotentiale 500 450 400 Wettbewerbs Potential 350 Technisches Potential 300 Kohlenstoffpreis (USD/tce) 250 200 150 100 50 0 0 100 200 300 400 500 600 700 800 Treibhausgasminderung (mmtce)

34. 500 450 Endogene Preise Konstante Flächen Endogene Preise und Flächen 400 350 300 Konstante Preise und Flächen 250 Kohlenstoffpreis (USD/tce) 200 150 Konstante Preise Endogene Flächen 100 50 0 0 100 200 300 400 500 600 700 Treibhausgasminderung (mmtce)

35. Produktionsintensitäten 115 110 Bewässerung 105 100 Intensität in Prozent 95 Pflugbearbeitung 90 85 Stickstoffdüngung 80 75 0 100 200 300 400 500 Kohlenstoffpreis (USD/mtce)

36. Landwirtschaftliche Märkte 220 200 Nutzpflanzenpreise 180 160 140 Tierproduktpreise Fisher index 120 Tierproduktion 100 80 60 Getreide- Exporte Pflanzenproduktion 40 20 0 50 100 150 200 250 300 Kohlenstoffpreis (USD/tce)

37. Wohlfahrtseffekte 8 6 4 Produzenten (Brutto) 2 Produzenten (Netto) Milliarden USD 0 -2 Emissions-Zahlungen -4 -6 Konsumenten -8 -10 0 20 40 60 80 100 Kohlenstoffpreis (USD/tce)

38. Bioenergie Emissionsminderung 500 Ökonomisches Potential 400 Wettbewerbs Potential 300 Kohlenstoffpreis ($/tce) 200 Technisches Potential 100 0 0 50 100 150 200 250 300 350 Emissionsreduzierung (mmtce)

39. Kohlenstoffsenke – Pfluglose BB 500 Ökonomisches Potential 400 Kohlenstoffpreis ($/tce) 300 Wettbewerbs- Potential 200 Technisches Potential 100 0 0 20 40 60 80 100 120 140 160 Bodenkohlenstoffspeicherung (mmtce)

40. Vermeidungsstrategien 500 Aufforstung 400 Kohlenstoffpreis (USD/tce) Pfluglose Bearbeitung 300 CH4 N2O 200 Bioenergie 100 0 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 Emissionsminderung (mmtce)

41. Andere Umwelteinflüsse 100 N-Schichtwasser 90 80 N-Grundwasser Veränderung (%/Hektare) 70 Bodenerosion 60 50 P-Verluste 40 0 50 100 150 200 250 300 Kohlenstoffpreis (USD/tce)

42. Emissions-Lecks 160 Nettoexporte von Nahrungsmitteln aus Nicht-Annex I Ländern für Treibhausgaspolitiken in: 150 140 130 Fisher Index 120 Annex I Länder 110 100 Alle Länder 90 0 20 40 60 80 100 Kohlenstoff (USD/tce)

43. 2 EUFASOM Simulationen • Jantke, K. and U.A. Schneider (2009), Opportunity costs in conservation planning – of the case of European wetland species, prepared for Conservation Letters • Link, P.M., C.I. Ramos, U.A. Schneider, E. Schmid, J. Balkovič and R. Skalský (2008), The interdependencies between food and biofuel production in European agriculture - an application of EUFASOM, submitted to Biomass and Bioenergy. • Schleupner, C. and U.A. Schneider (2008), Evaluation of European wetland restoration potentials by considering economic costs under different policy options, FNU-158, Hamburg University and Centre for Marine and Atmospheric Sciences, Hamburg. • Schneider U.A., J. Balkovič, S. De Cara, O. Franklin, S. Fritz, P. Havlík, I. Huck, K. Jantke, A.M.I. Kallio, F. Kraxner, A. Moiseyev, M. Obersteiner, C.I. Ramos, C. Schleupner, E. Schmid, D. Schwab, R. Skalský (2008), The European Forest and Agricultural Sector Optimization Model – EUFASOM, FNU-156, Hamburg University and Centre for Marine and Atmospheric Sciences, Hamburg.

44. 2010 EU Bioenergie Ziele • 21% Elektrizität aus Biomasse ≈ 610 Tausend GWh ≈ 300 Millionen t Biomasse • 5.75% Biokraftstoffe

45. 2010 EU Biodiversitätsziele • 2001: European Council committed to ‘halt the decline of biodiversity by 2010’ in Europe • 2002: EU joined about 130 countries in agreeing ‘to significantly reduce the rate of biodiversity loss by 2010‘ worldwide ABER • Biodiversitätsverluste steigen immer noch • Schutz oft ad hoc und unkoordiniert • 2010 ist in einem Jahr

46. 8 EUFASOMBiodiversität 69 Feucht-gebiets-arten

47. 60 50 Moore All Feuchtgebiete Feuchtwälder 40 Feuchtwiesen Flussränder Mindestfläche in Millionen Hektare 30 Gewässer 20 10 0 5 10 15 20 25 30 35 40 Lebensfähige Populationen

48. EU25 Bioenergie Potentiale 600 Feuchtgebiete = 40 Mha 500 400 Marginale Biomasse Kosten in Euro/ton 300 30 Mha 200 10 Mha 100 0 0 50 100 150 200 250 300 350 400 Europäische Biomasse Produktion in Millionen Tonnen

49. 3 Global FASOM Simulationen • Havlík, P., U.A. Schneider, E. Schmid, H. Böttcher, S. Fritz, R. Skalský, Kentaro A., S. de Cara, G. Kindermann, F. Kraxner, S. Leduc, I. McCallum, A. Mosnier, T. Sauer, and M. Obersteiner (2009), Global land-use implications of first and second generation biofuel targets, submitted to Energy Policy. • Schneider U.A., P. Havlík, E. Schmid, M. Obersteiner, T. Sauer, R. Skalský, S. Fritz (2009) Food production impacts of alternative global development scenarios, submitted to Population and Environment. • Sauer, T.P. Havlík, U.A. Schneider, G. Kindermann, M. Obersteiner (2009), Agriculture and resource availability in a changing world - the role of irrigation, revised for Water Research. • Schneider, U.A., C. Llull, and P. Havlík (2008), “Modeling Income Effects in a Partial Equilibrium Model”, The XIIth EAAE Congress, Ghent, Belgium, August 26-29, 2008. • Sauer, T.P. P. Havlík, U.A. Schneider, G. Kindermann, and M. Obersteiner (2008), “Agriculture, Population, Land and Water Scarcity in a changing World – The Role of Irrigation”, The XIIth EAAE Congress, Ghent, Belgium, August 26-29, 2008.