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Beitrag der Landwirtschaft zu den Treibhausgas-Emissionen

<p>Die Landwirtschaft in Deutschland trägt maßgeblich zur Emission klimaschädlicher Gase bei. Dafür verantwortlich sind vor allem Methan-Emissionen aus der Tierhaltung (Fermentation und Wirtschaftsdüngermanagement von Gülle und Festmist) sowie Lachgas-Emissionen aus landwirtschaftlich genutzten Böden als Folge der Stickstoffdüngung (mineralisch und organisch).</p><p>Treibhausgas-Emissionen aus der Landwirtschaft</p><p>Das Umweltbundesamt legt im Rahmen des <a href="https://www.bmuv.de/gesetz/bundes-klimaschutzgesetz">Bundes-Klimaschutzgesetzes (KSG)</a> eine Schätzung für das Vorjahr 2024 vor. Für die Luftschadstoff-Emissionen wird keine Schätzung erstellt, dort enden die Zeitreihen beim letzten Inventarjahr 2023. Die Daten basieren auf aktuellen Zahlen zur Tierproduktion, zur Mineraldüngeranwendung sowie der Erntestatistik. Bestimmte Emissionsquellen werden zudem laut KSG der mobilen und stationären Verbrennung des landwirtschaftlichen Bereichs zugeordnet (betrifft z.B. Gewächshäuser). Dieser Bereich hat einen Anteil von rund 14 % an den Gesamt-Emissionen des Landwirtschaftssektors. Demnach stammen (unter Berücksichtigung der energiebedingten Emissionen) 76,0 % der gesamten Methan (CH4)-Emissionen und 77,3 % der Lachgas (N2O)-Emissionen in Deutschland aus der Landwirtschaft.</p><p>Im Jahr 2024 war die deutsche Landwirtschaft entsprechend einer ersten Schätzung somit insgesamt für 53,7 Millionen Tonnen (Mio. t) Kohlendioxid (CO2)-Äquivalente verantwortlich (siehe Abb. „Treibhausgas-Emissionen der Landwirtschaft nach Kategorien“). Das entspricht 8,2 % der gesamten ⁠<a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/t?tag=Treibhausgas#alphabar">Treibhausgas</a>⁠-Emissionen (THG-Emissionen) des Jahres. Diese Werte erhöhen sich auf 62,1 Millionen Tonnen (Mio. t) Kohlendioxid (CO2)-Äquivalente bzw. 9,6 % Anteil an den Gesamt-Emissionen, wenn die Emissionsquellen der mobilen und stationären Verbrennung mit berücksichtigt werden.</p><p>In den folgenden Absätzen werden die Emissionsquellen der mobilen und stationären Verbrennung des landwirtschaftlichen Sektors nicht berücksichtigt.</p><p>Den Hauptanteil an THG-Emissionen innerhalb des Landwirtschaftssektors machen die Methan-Emissionen mit 62,1 % im Schätzjahr 2024 aus. Sie entstehen bei Verdauungsprozessen, aus der Behandlung von Wirtschaftsdünger sowie durch Lagerungsprozesse von Gärresten aus nachwachsenden Rohstoffen (NaWaRo) der Biogasanlagen. Lachgas-Emissionen kommen anteilig zu 33,4 % vor und entstehen hauptsächlich bei der Ausbringung von mineralischen und organischen Düngern auf landwirtschaftlichen Böden, beim Wirtschaftsdüngermanagement sowie aus Lagerungsprozessen von Gärresten. Durch eine flächendeckende Zunahme der Biogas-Anlagen seit 1994 haben die Emissionen in diesem Bereich ebenfalls kontinuierlich zugenommen. Nur einen kleinen Anteil (4,5 %) machen die Kohlendioxid-Emissionen aus der Kalkung, der Anwendung als Mineraldünger in Form von Harnstoff sowie CO2 aus anderen kohlenstoffhaltigen Düngern aus. Die CO2-Emissionen entsprechen hier einem Anteil von weniger als einem halben Prozent an den Gesamt-THG-Emissionen (ohne ⁠<a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/l?tag=LULUCF#alphabar">LULUCF</a>⁠) und sind daher als vernachlässigbar anzusehen (siehe Abb. „Anteile der Treibhausgase an den Emissionen der Landwirtschaft 2024“).</p><p>Klimagase aus der Viehhaltung</p><p>Das klimawirksame Spurengas Methan entsteht während des Verdauungsvorgangs (Fermentation) bei Wiederkäuern (wie z.B. Rindern und Schafen) sowie bei der Lagerung von Wirtschaftsdüngern (Festmist, Gülle). Im Jahr 2023 machten die Methan-Emissionen aus der Fermentation anteilig 76,7 % der Methan-Emissionen des Landwirtschaftsbereichs aus und waren nahezu vollständig auf die Rinder- und Milchkuhhaltung (93 %) zurückzuführen. Aus dem Wirtschaftsdüngermanagement stammten hingegen nur 18,8&nbsp;% der Methan-Emissionen. Der größte Anteil des Methans aus Wirtschaftsdünger geht auf die Exkremente von Rindern und Schweinen zurück. Emissionen von anderen Tiergruppen (wie z.B. Geflügel, Esel und Pferde) sind dagegen vernachlässigbar. Der verbleibende Anteil (4,5 %) der Methan-Emissionen entstammte aus der Lagerung von Gärresten nachwachsender Rohstoffe (NawaRo) der Biogasanlagen. Insgesamt sind die aus der Tierhaltung resultierenden Methan-Emissionen im Sektor Landwirtschaft zwischen 1990 (45,8 Mio. t CO2-Äquivalente) und 2024 (33,2 Mio. t CO2-Äquivalente) um etwa 27,5&nbsp;% zurückgegangen.</p><p>Wirtschaftsdünger aus der Einstreuhaltung (Festmist) ist gleichzeitig auch Quelle des klimawirksamen Lachgases (Distickstoffoxid, N2O) und seiner Vorläufersubstanzen (Stickoxide, NOx und Stickstoff, N2). Dieser Bereich trägt zu 16,2&nbsp;% an den Lachgas-Emissionen der Landwirtschaft bei. Die Lachgas-Emissionen aus dem Bereich Wirtschaftsdünger (inklusive Wirtschaftsdünger-Gärreste) nahmen zwischen 1990 und 2024 um rund 34,2 % ab (siehe Tab. „Emissionen von Treibhausgasen aus der Tierhaltung“). Zu den tierbedingten Emissionen gehören ebenfalls die Lachgas-Emissionen der Ausscheidung beim Weidegang sowie aus der Ausbringung von Wirtschaftsdünger auf die Felder. Diese werden aber in der Emissionsberichterstattung in der Kategorie „landwirtschaftliche Böden“ bilanziert.</p><p>Somit lassen sich in 2024 rund 34,9 Mio. t CO2-Äquivalente direkte THG-Emissionen (das sind 64,5 % der Emissionen der Landwirtschaft und 5,4 % an den Gesamt-Emissionen Deutschlands) allein auf die Tierhaltung zurückführen. Hierbei bleiben die indirekten Emissionen aus der ⁠<a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/d?tag=Deposition#alphabar">Deposition</a>⁠ unberücksichtigt.</p><p>&nbsp;</p><p>Klimagase aus landwirtschaftlich genutzten Böden</p><p>Auch Böden sind Emissionsquellen von klimarelevanten Gasen. Neben der erhöhten Kohlendioxid (CO2)-Freisetzung infolge von <a href="https://www.umweltbundesamt.de/daten/klima/treibhausgas-emissionen-in-deutschland/emissionen-der-landnutzung-aenderung">Landnutzung und Landnutzungsänderungen</a> (Umbruch von Grünland- und Niedermoorstandorten) sowie der CO2-Freisetzung durch die Anwendung von Harnstoffdünger und der Kalkung von Böden handelt es sich hauptsächlich um Lachgas-Emissionen. Mikrobielle Umsetzungen (sog. Nitrifikation und Denitrifikation) von Stickstoffverbindungen führen zu Lachgas-Emissionen aus Böden. Sie entstehen durch Bodenbearbeitung sowie vornehmlich aus der Umsetzung von mineralischen Düngern und organischen Materialien (d.h. Ausbringung von Wirtschaftsdünger und beim Weidegang, Klärschlamm, Gärresten aus NaWaRo sowie der Umsetzung von Ernterückständen). Insgesamt wurden 2024 15,1 Mio. t CO2-Äquivalente Lachgas durch die Bewirtschaftung landwirt­schaftlicher Böden emittiert.</p><p>Es werden direkte und indirekte Emissionen unterschieden:</p><p>Die <strong>direkten Emissionen</strong> stickstoffhaltiger klimarelevanter Gase (Lachgas und Stickoxide, siehe Tab. „Emissionen stickstoffhaltiger Treibhausgase und Ammoniak aus landwirtschaftlich genutzten Böden“) stammen überwiegend aus der Düngung mit mineralischen Stickstoffdüngern und den zuvor genannten organischen Materialien sowie aus der Bewirtschaftung organischer Böden. Diese Emissionen machen mit 46 kt bzw. 12,3 Mio. t CO2-Äquivalenten den Hauptanteil (51,9 %) an den gesamten Lachgasemissionen aus.</p><p>Quellen für <strong>indirekte Lachgas-Emissione</strong>n sind die atmosphärische ⁠<a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/d?tag=Deposition#alphabar">Deposition</a>⁠ von reaktiven Stickstoffverbindungen aus landwirtschaftlichen Quellen sowie die Lachgas-Emissionen aus Oberflächenabfluss und Auswaschung von gedüngten Flächen. Indirekte Lachgas-Emissionen belasten vor allem natürliche oder naturnahe Ökosysteme, die nicht unter landwirtschaftlicher Nutzung stehen.</p><p>Im Zeitraum 1990 bis 2024 nahmen die Lachgas-Emissionen aus landwirtschaftlichen Böden um 24 % ab.</p><p>Gründe für die Emissionsentwicklung</p><p>Neben den deutlichen Emissionsrückgängen in den ersten Jahren nach der deutschen Wiedervereinigung vor allem durch die Verringerung der Tierbestände und den strukturellen Umbau in den neuen Bundesländern, gingen die THG-Emissionen erst wieder ab 2017 deutlich zurück. Die Folgen der extremen ⁠<a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/d?tag=Drre#alphabar">Dürre</a>⁠ im Jahr 2018 waren neben hohen Ernteertragseinbußen und geringerem Mineraldüngereinsatz auch die erschwerte Futterversorgung der Tiere, die zu einer Reduzierung der Tierbestände (insbesondere bei der Rinderhaltung aber seit 2021 auch bei den Schweinebeständen) beigetragen haben dürfte. Wie erwartet setzt sich der abnehmende Trend fort bedingt durch die anhaltend schwierige wirtschaftliche Lage vieler landwirtschaftlicher Betriebe vor dem Hintergrund stark gestiegener Energie-, Düngemittel- und Futterkosten und damit höherer Produktionskosten.</p><p>Maßnahmen in der Landwirtschaft zur Senkung der Treibhausgas-Emissionen</p><p>Das von der Bundesregierung in 2019 verabschiedete und 2021 und 2024 novellierte <a href="https://www.bmuv.de/gesetz/bundes-klimaschutzgesetz">Bundes-Klimaschutzgesetz</a> legt für 2024 für den Landwirtschaftssektor eine Höchstmenge von 67 Mio. t CO2-Äquivalente fest, welche mit 62&nbsp;Mio. t CO2-Äquivalente unterschritten wurde.</p><p>Weiterführende Informationen zur Senkung der ⁠<a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/t?tag=Treibhausgas#alphabar">Treibhausgas</a>⁠-Emissionen finden Sie auf den Themenseiten <a href="https://www.umweltbundesamt.de/themen/landwirtschaft/umweltbelastungen-der-landwirtschaft/ammoniak-geruch-staub">„Ammoniak, Geruch und Staub“</a>, <a href="https://www.umweltbundesamt.de/themen/landwirtschaft/umweltbelastungen-der-landwirtschaft/lachgas-methan">„Lachgas und Methan“</a> und <a href="https://www.umweltbundesamt.de/themen/landwirtschaft/umweltbelastungen-der-landwirtschaft/stickstoff">„Stickstoff“</a>.</p>

The role of soil fauna for plant performance and ecosystem functioning in a plant diversity gradient

The soil fauna affects soil structure, nutrient mineralization, decomposition processes, and the activity and composition of the microbial community in soil. These effects likely also modify plant performance, plant competition and the use of plant tissue by above-ground herbivores. The proposed project investigates effects of earthworms and soil insects on the above-ground system in grassland communities of different diversity. Earthworm and soil insect density is manipulated in experimental plots differing in plant diversity. The manipulations include the combined exclusion of below-ground insects and above-ground herbivores. It is expected that the response of the above-ground plant and animal community to manipulations of soil animal populations depends on plant species, plant diversity and plant functional group. The differential response is expected to propagate into the herbivore system thereby affecting the structure of the above-ground animal community.

Beurteilungsgebiete und Ballungsräume in Niedersachsen

Die Überwachung und Beurteilung der Luftqualität erfolgt hinsichtlich Art, Umfang und Qualität nach festen Vorgaben der 39. Bundes-Immissionsschutzverordnung. Bei der Beurteilung der Luftqualität wird im Hinblick auf den Schutz der menschlichen Gesundheit unterschieden zwischen Ballungsräumen (städtische Gebiete mit hoher Besiedlungsdichte) und sonstigen Beurteilungsgebieten (Niedersachsen Nord, Niedersachsen Mitte und Niedersachsen Süd). Die Beurteilung im Hinblick auf den besonderen Schutz der natürlichen Ökosysteme und der Vegetation erfolgt in den Ökosystem-Schutzgebieten Wattenmeer und Harz. Weiterführende Informationen, wie z.B. aktuelle Messwerte, Stationsinformationen und die Jahresberichte zur Luftqualitätsüberwachung finden Sie in unter www.luen-ni.de.

Indikator: Luftqualität in Ballungsräumen

<p>Die wichtigsten Fakten</p><p><ul><li>Die Grundbelastung in deutschen Ballungsräumen überschreitet ⁠<a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/w?tag=WHO#alphabar">WHO</a>⁠-Empfehlungen aus dem Jahr 2021 für Feinstaub (⁠<a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/p?tag=PM25#alphabar">PM2,5</a>⁠) und Stickstoffdioxid (NO₂) deutlich.</li><li>In der Nähe von Schadstoffquellen können die Belastungen sogar wesentlich höher sein.</li><li>Bei NO₂ und PM2,5 hat sich die Situation seit dem Jahr 2000 erheblich verbessert, die WHO-Empfehlungen von 2021 werden aber noch deutlich überschritten.</li><li>Die Belastung durch Ozon und PM2,5 ist stark von der ⁠<a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/w?tag=Witterung#alphabar">Witterung</a>⁠ abhängig. Die Werte schwanken deshalb stark.</li></ul></p><p>Welche Bedeutung hat der Indikator?</p><p>Stickstoffdioxid (NO2), Feinstaub (⁠<a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/p?tag=PM25#alphabar">PM2,5</a>⁠) und Ozon (O3) sind besonders relevant für die menschliche Gesundheit. Alle drei Schadstoffe belasten die Atemorgane. Auch Ökosysteme werden durch Ozon geschädigt.</p><p>Im Jahr 2021 veröffentlichte die ⁠<a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/w?tag=WHO#alphabar">WHO</a>⁠ aktualisierte Empfehlungen zur Luftqualitätsbewertung auf Basis neuester wissenschaftlicher Erkenntnisse zu den gesundheitlichen Wirkungen von Luftschadstoffen (<a href="https://apps.who.int/iris/handle/10665/345329">WHO 2021</a>), die zur Bewertung des Indikators herangezogen werden.</p><p>Prekär ist die Luftqualität vor allem in Ballungsräumen, in denen ein Drittel der deutschen Bevölkerung lebt: Industrie, Verkehr und Wohngebiete liegen hier nah beieinander. Einbezogen werden die Messstationen, die die Belastung im „städtischen Hintergrund“ messen, also die Grundbelastung der Stadt. An verkehrsreichen Standorten in Städten kann die Belastung jedoch deutlich höher sein. Der ⁠<a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/i?tag=Indikator#alphabar">Indikator</a>⁠ stellt den mittleren Abstand aller Messstationen im städtischen Hintergrund von den Richtwerten der WHO dar.</p><p>Wie ist die Entwicklung zu bewerten?</p><p>Seit dem Jahr 2000 ist die Belastung durch Stickstoffdioxid und Feinstaub deutlich zurückgegangen, liegt aber auch aktuell noch weit über dem Ziel, bei Stickstoffdioxid 28 % über dem Ziel und bei ⁠<a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/p?tag=PM25#alphabar">PM2,5</a>⁠ ca. 61 %. Die Ozonbelastung ist stark schwankend. Dies liegt vor allem am Einfluss der ⁠<a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/w?tag=Witterung#alphabar">Witterung</a>⁠: In heißen Sommern wie 2003 oder 2015 steigt die Ozon-Konzentration stark an. Deshalb kann für die letzten Jahre keine Aussage über den Trend der Entwicklung gemacht werden.</p><p>Die EU schrieb ihre Luftqualitäts-Ziele 2008 in der <a href="http://eur-lex.europa.eu/legal-content/DE/TXT/?uri=CELEX:32008L0050">Luftqualitäts-Richtlinie</a> fest (EU-RL 2008/50/EG), im Oktober 2022 legte die Kommission einen Vorschlag zur Revision dieser Richtlinie vor (<a href="https://environment.ec.europa.eu/publications/revision-eu-ambient-air-quality-legislation_en">KOM 2022</a>), der die neuen ⁠<a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/w?tag=WHO#alphabar">WHO</a>⁠-Empfehlungen 2021 berücksichtigen soll. Doch auch einige der weniger ambitionierten Ziele der derzeitigen EU-Richtlinie verfehlt Deutschland noch <a href="https://www.umweltbundesamt.de/publikationen/luftqualitaet-2024">(UBA 2025)</a>. Bis die Luft in den Ballungsräumen wirklich ausreichend „sauber“ ist, ist also noch ein weiter Weg zu gehen.</p><p>Wie wird der Indikator berechnet?</p><p>Der ⁠<a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/i?tag=Indikator#alphabar">Indikator</a>⁠ basiert auf Messdaten der Luftqualitätsmessnetze der Bundesländer. Betrachtet werden alle Messstellen eines Ballungsraums zur Messung der Belastung im städtischen oder vorstädtischen Hintergrund. Für diese Messstellen wird die Über- oder Unterschreitung der ⁠<a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/w?tag=WHO#alphabar">WHO</a>⁠-Empfehlungen 2021 für die drei Schadstoffe NO₂, ⁠<a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/p?tag=PM25#alphabar">PM2,5</a>⁠ und O₃ berechnet. Für jeden Ballungsraum wird der mittlere Abstand der Werte aller Messstationen zur WHO-Empfehlung 2021 errechnet. Die mittleren Abstände werden dann über alle Ballungsräume gemittelt und mit dem Wert der WHO-Empfehlung 2021 normiert.</p><p><strong>Ausführliche Informationen zum Thema finden Sie im Daten-Artikel <a href="https://www.umweltbundesamt.de/daten/luft/luftbelastung-in-ballungsraeumen">„Luftbelastung in Ballungsräumen“</a>.</strong></p>

Umweltprobenbank des Bundes (German Environmental Specimen Bank)

Die Umweltprobenbank des Bundes (UPB) mit ihren Bereichen Bank für Umweltproben und Bank für Humanproben ist eine Daueraufgabe des Bundes unter der Gesamtverantwortung des Bundesumweltministeriums sowie der administrativen und fachlichen Koordinierung des Umweltbundesamtes. Es werden für die Bank für Umweltproben regelmäßig Tier- und Pflanzenproben aus repräsentativen Ökosystemen (marin, limnisch und terrestrisch) Deutschlands und darüber hinaus für die Bank für Humanproben im Rahmen einer Echtzeitanalyse Blut-, Urin-, Speichel- und Haarproben studentischer Kollektive gewonnen. Vor ihrer Einlagerung werden die Proben auf eine Vielzahl an umweltrelevanten Stoffen und Verbindungen (z.B. Schwermetalle, CKW und PAH) analysiert. Der eigentliche Wert der Umweltprobenbank besteht jedoch in der Archivierung der Proben. Sie werden chemisch veränderungsfrei (über Flüssigstickstoff) gelagert und somit können auch rückblickend Stoffe untersucht werden, die zum Zeitpunkt ihrer Einwirkung noch nicht bekannt oder analysierbar waren oder für nicht bedeutsam gehalten wurden. Alle im Betrieb der Umweltprobenbank anfallenden Daten und Informationen werden mit einem Datenbankmanagementsystem verwaltet und aufbereitet. Hierbei handelt es sich insbesondere um die biometrischen und analytischen Daten, das Schlüsselsystem der UPB, die Probenahmepläne, die Standardarbeitsanweisungen (SOP) zu Probenahme, Transport, Aufbereitung, Lagerung und Analytik und die Lagerbestandsdaten. Mit einem Geo-Informationssystem werden die Karten der Probenahmegebiete erstellt, mit denen perspektivisch eine Verknüpfung der analytischen Ergebnisse mit den biometrischen Daten sowie weiteren geoökologischen Daten (z.B. Daten der Flächennutzung, der Bodenökologie, der Klimatologie) erfolgen soll. Ausführliche Informationen und eine umfassende Datenrecherche sind unter www.umweltprobenbank.de abrufbar.

Potential of blue carbon for global climate mitigation - Factsheet

Coastal ecosystems, including mangroves, seagrass meadows and tidal marshes, function as natural carbon sinks, thereby playing a vital role in the global carbon cycle. These Blue Carbon ecosystems have been found to be effective carbon storage mechanisms, whilst also providing a habitat for biodiversity and enhancing coastal resilience. This factsheet provides a comprehensive overview of the relevant literature on the subject and the potential protection and restoration of coastal ecosystems has to reduce greenhouse gas emissions and enhance climate adaptation. It highlights, that the integration of Blue Carbon into national inventories and international climate frameworks can strengthen ocean protection and contribute meaningfully to global climate action. Veröffentlicht in Fact Sheet.

CampusDynA - Dynamische Anpassung von Campusnetzen und Applikationen in industriellen Anwendungsszenarien, Teilvorhaben: Energieeinsatzoptimierung bei Produktionsanlagen & Zivile Sicherheit

Optimierung der Milchsäureerzeugung aus Reststoffen der Lebensmittelindustrie zur Herstellung hochwertiger flüssiger Tierfuttermittel sowie von biobasierten industriellen Kunststoffen

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens: Das Projekt OptiMi zielt darauf ab, hochwertige Reststoffe der Lebensmittelindustrie zu nutzen, um daraus über einen Fermentationsprozess Milchsäure zu erzeugen. Milchsäure kann als Ausgangsprodukt in verschiedensten Prozessen eingesetzt werden. Dazu zählen unter anderem die Verwendung als Monomer für die Herstellung des biologisch abbaubaren Kunststoffes PLA oder die Verwendung in der Pharmazie. Im Gegensatz zur energetischen Nutzung der Reststoffe in einer Biogasanlage, stellt die Fermentation zur Milchsäuregewinnung einen Prozess mit deutlich höherem Wertschöpfungsniveau dar. Ein weiterer Vorteil der Nutzung von Reststoffen ist, dass diese nicht extra für die Fermentation angebaut werden, wie es beispielsweise bei der Verwendung von Zuckerrohr für die Milchsäureproduktion in Asien der Fall ist. Damit kann das Ökosystem in den Anbauregionen entlastet werden und die ressourcenschonende und nachhaltige wirtschaftsweise der deutschen Bioökonomie gestärkt werden.

Vorhersage von Schüttungen alpiner Karstquellen im Hinblick auf den Klimawandel unter Verwendung neuer Deep Learning-Methoden

Karstgrundwasserleiter spielen im Alpenraum eine wichtige Rolle. Sie bedecken etwa 56% der Fläche, und ein erheblicher Teil der Bevölkerung ist ganz oder teilweise von Trinkwasser aus Karstquellen abhängig, die oft mit wertvollen Ökosystemen verbunden sind und zur Wasserkrafterzeugung beitragen. Die Alpen zählen nach Studien zu den am stärksten vom Klimawandel betroffenen Gebieten in Europa. Als Folge der steigenden Temperaturen werden sich die gespeicherten Mengen an Schnee und Eis stark verringern, was zu einer Verschiebung zwischen Wasserhaushaltskomponenten in Verbindung mit einer saisonalen Umverteilung der Niederschläge führt. Außerdem wird erwartet, dass Hoch- und Niedrigwasserereignisse häufiger auftreten werden. Der Stand der Technik bei der Modellierung der Schüttung von Karstquellen, meist mittels konventioneller numerischer Modelle, ist auf standortspezifische, oft aufwändige und nicht übertragbare wissenschaftliche Studien beschränkt, die manuelle Modellabstimmung und Kalibrierung erfordern. Bis heute gibt es keinen leicht übertragbaren Ansatz, der gleichzeitig auf viele Karstquelleinzugsgebiete anwendbar ist. In diesem Projekt werden wir einen modernen, Deep-Learning basierten Ansatz zur Modellierung der Schüttung von Karstquellen entwickeln, der sich besonders gut eignet, übertragbare Modelle, die Informationen von verschiedenen Standorten nutzen können, aufzubauen. Deep Learning ist ein Teilgebiet des maschinellen Lernens, basierend auf künstlichen neuronalen Netzen, das sich sowohl bei akademischen als auch bei industriellen Anwendungen als sehr erfolgreich erwiesen hat. Die vorgeschlagene Studienregion sind die Alpen, mit Karstgebieten in Österreich, der Schweiz, Deutschland, Frankreich, Italien und Slowenien, mit einem Schwerpunkt auf dem besonders vom Klimawandel betroffenen von der Alpenkonvention abgegrenzten Gebirgsgebiet. Als Grundlage der Studie dient das World Karst Spring Database (WoKaS). Es wird im Laufe des Projekts mit zusätzlichen Daten von Behörden und Wasserversorgern ergänzt, insbesondere in Regionen mit bislang schlechter Abdeckung. Die Arbeiten beinhalten die Erstellung eines umfassenden Datensatzes mit Einzugsgebietsattributen und meteorologischen Einflussgrößen für etwa 150 Quellen. Klassische Lumped-Parameter-Modelle werden als Benchmarks aufgesetzt und mit den neu entwickelten Deep-Learning basierten Modellergebnissen verglichen. Ziel ist es, die Eignung neuartiger Deep-Learning Modellansätze für die Abschätzung der Auswirkungen des Klimawandels für eine Vielzahl von kurz- und langfristigen Vorhersagen zu untersuchen. Eine vertiefende Fallstudie des Dachsteingebietes, dessen große Karstregion wesentlich zur Wasserversorgung und Wasserkrafterzeugung beiträgt, wird die vergleichende Untersuchung mit einem numerischen 3D-Modell erweitern. Schließlich werden die entwickelten Modelle dazu verwendet, um Auswirkungen des Klimawandels auf die alpinen Karstgrundwasserressourcen vorherzusagen.

Linking nutrient cycles, land use and biodiversity along an elevation gradient on Mt. Kilimanjaro

To understand impacts of climate and land use changes on biodiversity and accompanying ecosystem stability and services at the Mt. Kilimanjaro, detailed understanding and description of the current biotic and abiotic controls on ecosystem C and nutrient fluxes are needed. Therefore, cycles of main nutrients and typomorph elements (C, N, P, K, Ca, Mg, S, Si) will be quantitatively described on pedon and stand level scale depending on climate (altitude gradient) and land use (natural vs. agricultural ecosystems). Total and available pools of the elements will be quantified in litter and soils for 6 dominant (agro)ecosystems and related to soil greenhouse gas emissions (CO2, N2O, CH4). 13C and 15N tracers will be used at small plots for exact quantification of C and N fluxes by decomposition of plant residues (SP7), mineralization, nitrification, denitrification and incorporation into soil organic matter pools with various stability. 13C compound-specific isotope analyses in microbial biomarkers (13C-PLFA) will evaluate the changes of key biota as dependent on climate and land use. Greenhouse gas (GHG) emissions and leaching losses of nutrients from the (agro)ecosystems and the increase of the losses by conversion of natural ecosystems to agriculture will be evaluated and linked with changing vegetation diversity (SP4), vegetation biomass (SP2), decomposers community (SP7) and plant functional traits (SP5). Nutrient pools, turnover and fluxes will be linked with water cycle (SP2), CO2 and H2O vegetation exchange (SP2) allowing to describe ecosystem specific nutrient and water characteristics including the derivation of full GHG balances. Based on 60 plots screening stand level scale biogeochemical models will be tested, adapted and applied for simulation of key ecosystem processes along climate (SP1) and land use gradients.

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