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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-87545
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2017/8754/


Potentials and Side-Effects of Herbaceous Biomass Plantations for Climate Change Mitigation

Potentiale und Nebeneffekte von Grasartigen Biomasseplantagen für die Abmilderung des Klimawandels

Mayer, Dorothea

Originalveröffentlichung: (2017) Berichte zur Erdsystemforschung 197 (2017)
pdf-Format:
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SWD-Schlagwörter: Klimaänderung , Kohlendioxidsenke , Miscanthus , Biogeochemie
Freie Schlagwörter (Deutsch): Biogeophysik
Freie Schlagwörter (Englisch): climate change mitigation , land-use change , herbaceous biomass plantations , fossil-fuel substitution
Basisklassifikation: 38.82
Institut: Geowissenschaften
DDC-Sachgruppe: Geowissenschaften
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Pongratz, Julia (Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 05.07.2017
Erstellungsjahr: 2017
Publikationsdatum: 27.09.2017
Kurzfassung auf Englisch: Enhancing terrestrial carbon sinks is much discussed as a climate engineering method both in politics and science. The debate focuses mostly on its potential for carbon sequestration and fossil-fuel substitution, whereas effects such as changes in heat and water fluxes are often ignored. Furthermore, many previous studies used idealized scenarios to assess global biomass potentials without considering other ecosystem services.
To implement herbaceous biomass plantations in the Max-Planck-Institute Earth System Model, I parametrized a new plant type that reflects the properties of tall, highly productive C4-grasses such as Miscanthus and Panicum and adapted the model’s phenology and carbon cycle to represent the unique characteristics of these plantations. To evaluate the model, I used values found in the literature and compared the model’s performance with that of herbaceous biomass plantations in the Lund-Potsdam-Jena managed Land model.
I assessed potentials and side-effects of herbaceous biomass plantations on the climate in a ’plausible’ scenario: Based on the representative concentration pathway (RCP) 4.5 which assumes that large areas of agricultural lands are abandoned, I modelled the climatic consequences of using such abandoned croplands for biomass plantations, under an RCP8.5 forcing (high CO2-emissions). As baseline, I used a scenario previously simulated by Sonntag et al. 2016 which assumes that forests naturally establish on the abandoned areas, leading to substantial carbon uptake by 2100. I compared these two options of land-use-based climate engineering with regards to sequestration potentials and side-effects. Moreover, I examined the relevance of fossil-fuel substitution and assessed the importance of going beyond pure carbon considerations by exploring biogeophysical effects and their potential to offset or enhance impacts of altered CO2-concentrations on the local or global climate.
My ’plausible’ scenario simulated an expansion of herbaceous biomass plantations to 5.6 million square kilometers. Global yields over the 95 years simulated amount to 255-330 PgC. When used for fossil-fuel substitution, they reduce CO2-concentrations by 70-90 ppm and temperatures by 0.2-0.4◦C as compared to the baseline afforestation. Replacing forests with herbaceous biomass plantations not only significantly alters plant carbon stocks but also how these carbon stocks develop over time. Forests respond to CO2-fertilization more strongly than do herbaceous biomass plantations, so that a replacement reduces the area’s sink capacity. At the end of the century, forests would store 114 PgC more than do herbaceous biomass plantations. Nevertheless, with fossil-fuel substitution, herbaceous biomass plantations are simulated to be more effective at sequestering carbon than forests. In many areas, they become more effective than forests quickly, even when considering current technological limits of biomass conversion into fossil-fuels.
Biogeochemical effects dominate the effects on the climate whereas biogeophysical effects are negligible on global and local scales. Only albedo significantly correlates over large regions with the extent of herbaceous biomass plantations. However, changes were slight and did not affect local temperatures. Significant biogeophysical effects were identified only for components of the water cycle in individual regions such as southeast Brazil. Overall, I conclude that (1) herbaceous biomass plantations can function as a method of climate engineering when deployed globally and if they are established on abandoned croplands, (2) they have larger CO2-reduction potential than regrowing forests when used for fossil-fuel substitution, (3) side-effects via biogeophysical pathways are small compared to the cooling resulting from carbon sequestration.
Kurzfassung auf Deutsch: Die Ausweitung terrestrischer Kohlenstoffsenken wird sowohl in Politik, als auch in der Wissenschaft als klimaändernde Maßnahme (climate engineering) viel diskutiert. Die Debatte konzentriert sich meistens auf deren Potential zur Kohlenstoffbindung, während Effekte wie zum Beispiel zur Veränderung von Wärmeflüssen und Wasserhaushalt oft ignoriert werden. Darüberhinaus benutzten viele frühere Studien idealisierte Szenarien, um die globalen Biomassepotentiale einzuschätzen ohne andere Leistungen globaler Ökosysteme zu berücksichtigen.
Um grasartige Biomasseplantagen in das Max-Planck-Institute Earth System Modell zu implementieren, habe ich einen neuen Pflanzentyp parametrisiert, welcher die Eigenschaften großer, hochproduktiver C4-Gräser, wie Miscanthus und Panicum, widerspiegelt und passte die Phänologie und den Kohlenstoffzyklus an die Besonderheiten dieser Plantagen an. Ich evaluierte das Modell mit Literaturwerten und verglich die Modellleistung mit jener der grasartigen Biomasseplantagen des Lund-Potsdam-Jena managed Land Modells.
Die Potentiale und Nebeneffekte grasartiger Biomasseplantagen auf das Klima schätzte ich in einem ’plausiblen’ Szenario ab: Große Agrarflächen, welche nach dem Representative Concentration Pathway RCP4.5 aufgegeben werden, benutzt mein Szenario für Biomasseplantagen, wobei diese Landnutzung an die Emissionen des RCP8.5 (hohe Kohlenstoffdioxidemissionen) gekoppelt wurden. Als Vergleichsbasis benutzte ich ein von Sonntag et al. 2016 entwickeltes Szenario, in welchem die gleichen Flächen aufgeforstet werden, was bis 2100 zu erheblicher Kohlenstoffdioxidaufnahme führen würde.
Ich verglich diese beiden Möglichkeiten der landnutzungsbasierten Klimabeeinflussung im Hinblick auf deren Kohlenstoffanreicherungspotentiale und möglicher Nebeneffekte. Zudem, schätzte ich den Einfluss der Substitution fossiler Energieträger durch Biomasse aus Biomasseplantagen auf die Kohlenstoffbilanz ab und untersuchte, wie wichtig es ist, über die reine Kohlenstoffkreislaufbetrachtung hinauszugehen, indem ich das Potential biogeophysikalischer Effekte analysierte, den Einfluss geänderter CO2-Konzentrationen auf das lokale und globale Klima zu verstärken oder abzuschwächen.
Mein ’plausibles’ Szenario simulierte eine Expansion grasartiger Biomasseplantagen auf 5.6 Millionen Quadratkilometer. Globale Ernten betrugen 255-330 Pg Kohlenstoff in den 95 Jahren der Simulation. Mit der Ersetzung fossiler Energieträger erzielten grasartige Biomasseplantagen eine Reduktion atmosphärischer Kohlenstoffdioxidkonzentrationen von 70-90 ppm und eine Senkung globaler Temperaturen von 0.2-0.4◦C im Vergleich zum Aufforstungsszenario. Der Wechsel von Wäldern zu grasartigen Biomasseplantagen veränderte nicht nur die Pflanzenkohlenstoffbestände, sondern auch wie sich diese Kohlenstoffbestände über die Zeit entwickeln. Wälder reagieren stärker auf Kohlenstoffdioxiddüngung als grasartige Biomasseplantagen, sodass der Austausch die Kohlenstoffsenken der Flächen beeinträchtigte. Ende des Jahrhunderts enthielten Wälder 114 Pg Kohlenstoff mehr als die grasartigen Biomasseplantagen. Trotzdem waren grasartige Biomasseplantagen Dank ihrer Fähigkeit zur Substitution fossiler Energieträger bessere Kohlenstofffänger als Wälder. In vielen Gegenden wurden sie schnell effektiver als Wälder, selbst unter Berücksichtigung unserer derzeitigen technologischen Beschränkungen zur Herstellung von Treibstoffen aus Biomasse.
Biogeochemische Effekte dominieren die Auswirkungen auf das globale und lokale Klima; die biogeophysikalischen Effekte sind vergleichsweise vernachlässigbar. Nur die Reflektivität der Landoberfläche (Albedo) korreliert signifikant mit der Ausdehnung der Biomasseplantagen. Dennoch waren die Änderungen so klein, dass sie die lokalen Temperaturen nicht veränderten. Signifikante Änderungen des Wasserzyklus wurden nur in einzelnen Regionen, wie dem Südosten Brasiliens, festgestellt. Insgesamt schließe ich aus meiner Arbeit, dass (1) grasartige Biomasseplantagen als klimaändernde Maßnahme verwendet werden können, sofern sie auf aufgegebenen Agrarflächen angepflanzt werden, dass (2) sie ein größeres Kohlenstoffsenkungspotenzial haben als Wälder, vorausgesetzt sie werden als Ersatz für fossile Energieträger verwendet und dass (3) Nebeneffekte über biogeophysikalische Wirkungen klein sind, im Vergleich zum Kühlungspotential der Kohlenstoffspeicherung.

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