Rendezvous von Modellen und Daten: Herausforderungen und Chancen bei der Implementierung von Landmanagement in Erdsystemmodelle

Neben der Verbrennung fossiler Brennstoffe bestimmt die Landnutzung den menschengemachten Klimawandel. Doch um Landnutzung in Klimamodellen zu erfassen, benötigen wir ein ausreichendes Verständnis der zugrundeliegenden Prozesse und die für die Modelle notwendigen Eingangsdaten. In einer neuen Studie zeigt ein Wissenschaftlerteam unter der Leitung von Julia Pongratz und mit Kim Naudts, beide aus der Abteilung "Land im Erdsystem" am Max-Planck-Institut für Meteorologie (MPI-M), dass einige Formen der Landnutzung einfacher in Erdsystemmodelle zu implementieren sind als andere.

Landnutzung durch Land- oder Forstwirtschaft wird auf ungefähr drei Vierteln der eisfreien Landoberfläche betrieben. Erdsystemmodelle wurden lange Zeit dafür benutzt zu verstehen, wie viel Kohlendioxid durch Abholzung von Wäldern in die Atmosphäre emittiert wurde oder wie sich das Reflexionsvermögen der Oberfläche ändert, wenn ein dunkler Nadelwald durch helles Grasland ersetzt wird. Aber die meisten Modelle befassten sich lediglich mit einer ganz bestimmten Form der Landnutzung, nämlich mit der Umwandlung eines Vegetationstypen in einen anderen, wie etwa Umwandlung von Wald in Ackerland oder von Strauchlandschaften in Weiden. Allerdings hat der größte Teil der von Menschen genutzten Landoberfläche seinen Vegetationstyp nicht geändert, wird aber trotzdem stark gemanagt, zum Beispiel weil Holz aus einem Wald geerntet wird oder Weideland gedüngt wird. Beobachtungen zeigen, dass Änderungen in solch einem Landmanagement genauso wichtig sein können wie die Änderungen des Vegetationstyps. Den Erdsystemmodellen fehlen daher nicht nur wichtige Prozesse, durch die Menschen das Klima und den Kohlenstoffkreislauf beeinflussen. Sie brauchen die Ergänzung des Landmanagements außerdem, weil sie zunehmend für Fragen der Vermeidung und Anpassung an den Klimawandel durch Landnutzungsänderungen angewandt werden.

Das Autorenteam um Julia Pongratz und Kim Naudts umfasst Wissenschaftler aus drei Forschungsfeldern, die Landnutzungseffekte auf das Erdsystem untersuchen: neben der Modellierung die Erdbeobachtung und die Landsystemwissenschaften. Zusammen versuchten sie, die Implementierung der vielen existierenden Landmanagementpraktiken zu priorisieren. Insbesondere betrachteten die Autoren Holzernte, die Selektion von Baumarten, Beweidung und Mahd, Ernte von Ackerfrüchten, Art der Ackerfrüchte (siehe Bild), Bewässerung, Entwässern von Feuchtgebieten, Düngung, Pflügen und Feuer zum Zwecke des Managements.



Landmanagement, wie die Art der Ackerfrucht, die gepflanzt wird (hier ein Weizen- und Maisfeld bei Zürich), hat substantiellen Einfluss auf das Oberflächenklima: die Helligkeit des Feldes bestimmt wie viel Sonneneinstrahlung absorbiert wird, und die Menge der Blätter beeinflusst die Verdunstung. Foto: Julia Pongratz

Das Autorenteam beurteilte anschließend die zehn Managementpraktiken nach verschieden Kriterien: (1) ihre Wichtigkeit für das Erdsystem, d.h. die Stärke des Effekts und die räumliche Ausdehnung, (2) die Möglichkeit, sie in die aktuellsten Erdsystemmodelle zu implementieren, und (3) die Verfügbarkeit von benötigten Eingangsdaten aus Beobachtungen. Durch Zusammenführen dieser Kriterien identifizierten die Autoren, welche Landmanagementpraktiken einfach in Erdsystemmodelle eingebaut werden können, wie eine einfache Implementierung von Ackerfrucht- und Holzernten und das Düngen. Sie identifizierten auch Forschungsbedarf für bestimmte Wissenschaftsfelder, um die übrigen Landmanagementpraktiken angehen zu können. Besonders stach heraus, dass die Datenverfügbarkeit die Modellierung ausgerechnet der ausgedehntesten Landmanagementpraktik, nämlich der Beweidung und Mahd, stark behindert. Im Gegensatz dazu fehlt bei anderen Praktiken wie dem Pflügen adäquates Prozessverständnis.

Für die nähere Zukunft bedeutet die Implementierung von Landmanagement in Erdsystemmodelle, dass die Modellergebnisse auseinanderdriften werden, da sich die geplanten Wege der Modellentwicklung und Priorisierung zwischen den Modellgruppen unterscheiden. Langfristig jedoch erlaubt sie eine genauere Beschreibung und Projektion des menschlichen Einflusses auf das Erdsystem.

Originalveröffentlichung:
Pongratz, J., H. Dolman, A. Don, K.-H. Erb, R. Fuchs, M. Herold, Ch. Jones, T. Kuemmerle, S. Luyssaert, P. Meyfroidt, and K. Naudts (2017). Models meet data: Challenges and opportunities in implementing land management in Earth System Models. Global Change Biology. doi:10.1111/gcb.13988

Kontakt:


Dr. Julia Pongratz
Max-Planck-Institut für Meteorologie
Tel.: 040 41173 255
E-Mail: julia.pongratz@we dont want spammpimet.mpg.de

Dr. Kim Naudts
Max-Planck-Institut für Meteorologie
Tel.: 040 41173 550
E-Mail: kim.naudts@we dont want spammpimet.mpg.de