4. REKLIM-Konferenz in München Klimawandel in Regionen

Ist der Klimawandel eine Entwicklung ins Bodenlose?

Jean Charles Munch – Institut für Bodenökologie, Helmholtz Zentrum München munch@helmholtz-muenchen.de

Hinweise zum Inhalt des Vortrags

Leistungen von Böden für uns Menschen: von Nahrungsmittelproduktion bis zum globalen Geschehen Böden als Teil der Erde: welcher? „critical zone“ „Haut der Erde“ wie entstehen sie? Böden und Menschen, im Klimawandel

Böden und ihre „Umwelt“leistungen Böden und Ökosysteme: Böden sind Wasserfilter (physikalisch, chemisch, biologisch); sie schützen Wasserkörper (ober-, unterirdisch) vor Belastungen z.B. aus dem Niederschlagswasser Böden sind Wasserspeicher in Landschaften - Wasservorrat für Vegetation - Wasservorrat für Bodensysteme hang abwärts (fruchtbare Täler) - Wasservorrat für Gewässer Böden sind die Basis der Schönheit unserer Landschaften

Böden, Landschaften, Menschen: optischer Genuss

Böden und ihre „Umwelt“leistungen Böden und globalen Kreisläufe: Böden sind am globalen Wasserkreislauf beteiligt. Wasserverdunstung aus Böden, Evapotranspiration aus Pflanzen-Boden-Systemen Böden sind am Gleichgewicht in der Atmosphäre beteiligt - Böden sind ein wichtiger C(CO2) Speicher (>Atmosph+Veg) - über Bakterien führen sie N2 aus Ökosystemen (siehe u.a. biologische Stickstofffixierung) zurück in die Atmosphäre (ohne diesen Prozess: relative Anreicherung von Spurengasen und verstärkte Klimaveränderung - über Mikroorganismen führen sie C als CO2 zurück in die Atmosphäre *je nach Bewirtschaftung nehmen sie N2O und CH4 aus der Atmosphäre auf

Globaler Kohlenstoffkreislauf

Die schwarzen Zahlen zeigen, wie viele Milliarden Tonnen Kohlenstoff (Gt C) in den verschiedenen Reservoiren vorhanden sind.

FischX, modifiziert von Brudersohn, freigegeben als public domain via Wikimedia Commons

Böden und ihre „Umwelt“leistungen Böden und globalen Kreisläufe: Böden sind am globalen Wasserkreislauf beteiligt Wasserverdunstung aus Böden, Evapotranspiration aus Pflanzen-Boden-Systemen Böden sind am Gleichgewicht in der Atmosphäre beteiligt - Böden sind ein wichtiger C(CO2) Speicher (>Atmosph+Veg) - über Bakterien führen sie N2 aus Ökosystemen (siehe u.a. biologische Stickstofffixierung) zurück in die Atmosphäre (ohne diesen Prozess: relative Anreicherung von Spurengasen und verstärkte Klimaveränderung - über Mikroorganismen führen sie C als CO2 zurück in die Atmosphäre *je nach Bewirtschaftung nehmen sie N2O und CH4 aus der Atmosphäre auf

Böden für Menschen

Böden und Ernährung: die überwiegenden Nahrungsmittel: auf Böden erzeugt (90%) Böden der Welt: 1/3 der Böden nicht nutzbar, trocken, kalt, schnee- + eisbedeckt Böden mit Vegetation: 31% Wälder 36% nutzbar für Pflanzenproduktion 24% Weideland, Grünland 12% Agrarböden (1/4 der Bevölkerung: Nahrung für den Weltmarkt, ●+ für eigene Ernährung)

Böden und die Ernährung der Menschen Böden der Welt: 12% der Böden = menschliche Ernährung (24% Grünland: z.T. Ernährung über Tierhaltung) Bedarf einer Bewirtschaftung - mit Erhalt/Verbesserung der Bodenfunktionalität - für höhere Erträgen hinreichend für Weltbevölkerung (9,6 M in 2050) bei hoher Qualität (z.B. Proteingehalte) - bei minimalen Risiken für die Umwelt

aus hartem, innertem Gestein: - vielfältige Prozesse - standortsgeprägt - (1-wenige) Meter: Haut der Erde benötigt Tausende von Jahren; bei Bodenvernichtung: Ersatz nicht möglich

Bodenbildung

Boden - Böden

Was sind Böden? Produkte einer Entwicklung von Tausenden von Jahren, ausgehend von Gestein Spezifisches Produkt von Standortbedingungen Ausgangmaterial, Topographie, Klima/Witterung Ein stabiles Konstrukt aus Mineralien, neu synthetisierten organischen Substanzen (Humin), komplexes Leben, Wasser und Luft - Porenraum: über 50 vol.%

Die neu gebildeten unverzichtbaren Freiräume in der Bodenstruktur

Porenräume im Boden: beinhalten Luft und Wasser bzw. Lösung+Stoffe stets wechselnder Luft-/Wasserhaushalt in den Poren: (Mikro)Organismen in Wasser(film) auf Oberflächen an Porenwänden auf organischen Partikeln (Substrate…) auf Wurzeln (Substrate…) (Mikro)Organismen im Poreraum wenn diese wassergefüllt Wurzeln der Pflanzen

Lebensräume und Mikroskala Porenverteilung in einem Aggregat

Mini Computer Tomographie Durchmesser: 2 cm

Helmholtzzentrum UFZ, Halle, H.J. Vogel

Böden - Lebensräume Böden: äußerst dicht & vielfältig besiedelt belebte Ökosysteme Oberboden eines Acker: bis zu 10 Milliarden Bakterienzellen und ca. 100 000 Spezies (1 Mio?) pro Gram Boden zudem Pilze (Hyphen) Mikro-, Meso, Makrofauna eine Hand voll Ackerboden: mehr Organismen als Menschen auf der Erde…

z.B. Boden: 1 – 10 Mrd Mikroorganismen/ g !!! ca 100000 – 1000000 Species/g z.B. Mensch: 100 Mrd Mikroorganismen/ Individuum !!! ca 1000 – 10000 Species Genom: Metagenom 1 g Boden ~ 4000 x Humangenom

Parabraunerde Braunerde Braunerde aus Basalt

Böden, vielfältig - jeder Boden ist einmalig

Parabraunerde Pseudogley

Pseudovergleyte Parabraunerden Podsole

Rendzina

Bodenqualität, Bodenstabilität Faktoren der Bodenqualität Stabilität der komplexen Bodenstruktur - wichtiger Parameter: Dynamik der organischen Bodensubstanz, Humus Wasserhaushalt (für Pflanzen und Stoffdynamik im Boden), Gashaushalt - bestimmt durch Bodenstruktur (Standort + Bewirtschaftung) Die Stabilität des Lebensraums & ein standortadäquates Bodenmanagement (bzw.Vegetation alsl C-Quelle) - garantieren den Erhalt des Bodens und seiner Biodiversität über sehr lange Zeiträume

Bodenqualität und zeitliche Variabilitäten

Steuerung und Stabilität der Funktionen im Boden Böden sind ganzjährig aktiv: unter einer unermesslichen Konstellation von Zuständen - Witterungsfaktoren: kalt, warm; trocken, feucht, nass, gefroren …. - Vegetation: zeitweise mit/ohne - org. energ. Substrat: Variabel über das Jahr (Bestandesabfälle, …)

Ein Fazit: das Wunderwerk Böden

Böden: Wunderbare Bio-Gebilde aus Mineralien, langzeitig verändert durch Wasser, Biota, externe Einflüsse Böden weisen eine komplexe Struktur auf, die komplexestes Leben ermöglicht und dank vielfältiger Pufferkapazitäten eine hohe Elastizität und Widerstandskraft besitzen Böden sind stets (bio)aktiv, welche Bedingungen auch gegeben sind. Böden sind einmalige Biosysteme Böden sind dank ihrer Komplexität sehr widerstandsfähig

Böden sind dreckig Böden sind infektiös Böden sind „wertvoll“ wenn zu Bauplatz - und vernichtet werden!!

Menschen und Böden

Böden und Menschen

Unsere Böden (noch vorhanden Reste) sind gefährdet Gefahren (a) Bodenverbrauch, Bodenvernichtung (Infrastrukturen der Gesellschaft) Bewirtschafzungsformen & Bodenverdichtungen Witterungsereignisse Heftige Gewitter und Niederschläge Erosionsabtrag, Waldkahlschlag Extremes Austrocknen der Böden mit Schädigung des genetischen Potentials der mikrobiellen Gemeinschaften Nutzungszwänge Einführen von Energie- + Rohstoffpflanzen in die Fruchtfolgen: neue Stofflüsse, neue Belastungen der Umwelt Einbringen von GVO’s ???, Erosion per Nutzung

Menschen und Bodenverbrauch: ein Beispiel aus Bayern

Menschen und Bodenverbrauch: Beispiel zu unserem persönlichen Bedarf

Böden und Menschen

Unsere Böden (noch vorhanden Reste) sind gefährdet Gefahren (a) Bodenverbrauch, Bodenvernichtung (Infrastrukturen der Gesellschaft) Bewirtschaftungsformen & Bodenverdichtungen Witterungsereignisse Heftige Gewitter und Niederschläge Erosionsabtrag, Waldkahlschlag Extremes Austrocknen der Böden mit Schädigung des genetischen Potentials der mikrobiellen Gemeinschaften Nutzungszwänge Einführen von Energie- + Rohstoffpflanzen in die Fruchtfolgen: neue Stofflüsse, neue Belastungen der Umwelt Einbringen von GVO’s ???, Erosion per Nutzung

Gefährdungen der Böden durch Verdichtung

Vernichten des Lebensraums in Böden - Bodenverdichtung (z.B. schwere Maschinen auf Agrarböden, Maschinendruck bei ungeigneten Bodenzuständen) -> Poren sind der Lebensraum der Organismen; keine Biota ohne ausreichend Porenraum, ungeeignete Porenverteilung, ausreichend Wasser/Luftaustausch -> Poren sind Speicherräume (Wasser…)

Druck durch immer größere Maschinen

Neue Erntemaschinen

Böden und Menschen

Unsere Böden (noch vorhandene Reste) sind gefährdet Gefahren (b) Witterungsereignisse (z.T. Klimageschehen) Heftige Gewitter und Niederschläge Erosionsabtrag, Waldkahlschlag Extremes Austrocknen der Böden mit Schädigung des genetischen Potentials der mikrobiellen Gemeinschaften Nutzungszwänge Einführen von Energie- & Rohstoffpflanzen in die Fruchtfolgen: neue Stofflüsse, neue Belastungen der Umwelt Erosion per Nutzung

Bodenverlust – Wasser-Erosion

Böden und Menschen

Unsere Böden sind gefährdet Gefahren (c) Witterungsereignisse (z.T. Klimageschehen) Heftige Gewitter und Niederschläge Erosionsabtrag, Waldkahlschlag Extremes Austrocknen der Böden mit Schädigung des genetischen Potentials der mikrobiellen Gemeinschaften Globale Klimaveränderungen Verschieben der Jahreszeiten Neue Niederschlagsverteilung Eingriff in den Bodenwasserhaushalt Eingriff in die Nährstoffumsetzungen Eingriff in die Vegetation Veränderungen der Spurengasflüsse(Methan) Invasion von Arten (u.a. Schädlingen, „Unkräuter“)

European Journal of Soil Science, June 2007, 58, 736–745

Summary The mineralization of the herbicide 3-(4-isopropylphenyl)-1,1-dimethylurea (isoproturon) was reduced after the dry and hot summer 2003 in a soil profile placed in a field lysimeter. A different isoproturon mineralization pattern remained in soil material taken at two different soil depths (0–5 cm and 15–20 cm), although soil material was re-equilibrated at adequate climatic conditions. Special soil microcosms were designed to determine if the changes in this special soil function ‘isoproturon mineralization’ were related to the climatic scenario of summer 2003. These microcosms were filled with lysimeter soil from the 15-20 cm depth and the temperature and dryness of summer 2003 were simulated. Afterwards, soil samples were taken from the microcosms and re-equilibrated under controlled conditions for 4 weeks. Subsequently, isoproturon mineralization was investigated. The soil microbial community reduced drastically its original capability of isoproturon mineralization in the course of the model experiments. Analysis of 16S-rRNA by denaturing gel gradient electrophoresis (DGGE) revealed substantial differences in the band patterns of the bacterial communities from both depths of the field lysimeter soil and from the soil incubated in microcosms. The different soil microbial biomass determined by microcalorimetry reinforced these results. In conclusion, the factors higher temperature and smaller soil moisture content generated important and enduring changes in the microbial community structure and therefore in specific soil functions of the community, as shown here by the function of isoproturon degradation. Results are discussed in connection with environmental conditions and conservation tillage.

Harsh summer conditions caused structural and specific functional changes of microbial communities in an arable soil W. LEVY, V. RADL, B. RUTH, M. SCHMID, J. C. MUNCH & R. SCHROLL Institute for Soil Ecology, GSF – National Research Centre for Environment and Health, Ingolstädter Landstraße 1, 85764 Neuherberg, Germany

Bodenqualität und globale Veränderungen

Neue Gefährdungen von Böden bzw. der Fruchtbarkeit von Böden - hoher Wasserbedarf, Austrocknen => Hydrophobie in Literatur: intensiver berichtet seit ~ 2000

Doerr et al. Hydrol. Process. 21, 2223–2228 (2007) ^ Sonderband, 19 Beiträge

Water droplets resting on a dry and highly repellent dune sand surface

Böden und Menschen

Unsere Böden sind gefährdet Gefahren (c) Witterungsereignisse (z.T. Klimageschehen) Heftige Gewitter und Niederschläge Erosionsabtrag, Waldkahlschlag Extremes Austrocknen der Böden mit Schädigung des genetischen Potentials der mikrobiellen Gemeinschaften Globale Klimaveränderungen Verschieben der Jahreszeiten Neue Niederschlagsverteilung Eingriff in den Bodenwasserhaushalt Eingriff in die Nährstoffumsetzungen Eingriff in die Vegetation Veränderungen der Spurengasflüsse(Methan) Invasion von Arten (u.a. Schädlingen, „Unkräuter“)

Bodenqualität bei globalen Veränderungen

Neue Gefährdungen von Böden bzw. der Fruchtbarkeit von Böden Externe Ursachen - Wassermangel durch globaler Klimawandel, extremes Austrocknen geringes Pflanzenwachstum/geringe organische Inputs Funktionsverluste per Hydrophobie - Bodenverlust durch Erosion: Starkregenereignisse; + Versiegelung Bewirtschaftung, insb. Produktion von Biomasse - Mangel an Pflanzenresiduen; Humusabbau - hoher Wasserbedarf, Austrocknen - Bodenverdichtung durch schwere Erntesysteme

reiche Länder kaufen Böden in armen Länder (land grabbing) - Deuschland in Afrika und Südamerika - China in Afrika und früher Sowiet-Länder - Indien, Korea in Afrika - Saudi Arabien in Afrika - ●Investoren/Börsen weltweit (z.b. neue Bundesländer) ► derzeit > 80 Millionen ha Bauern können keine Böden mehr kaufen!! (Preis x2 in 5 J.) Investoren entscheiden über Bewirtschaftung (Rohstoffe…) Agrarböden sind Spekulationsobjekt !! Die Grundlage unserer Ernährung ist Spekulationsobjekt !! (wie schon Nahrungsmittel)

Agrarböden der Welt

Ein Fazit: unser verwundbaren Böden

Ohne Zufuhr von Organischer Substanz und Bildung von Humus: schneller Zerfall der Bodenstruktur Ursachen Verlust der Vegetation: Bodenverdichtung, Trockenheit, Weitere Folgen Erosion bedingter Bodenabtrag

Bodenlose Zukunft?

nicht, wenn wir der Gefahr bewusst sind und agieren Aktuelle Forschungsfelder z.B. in Bayern BAYFORKAST z.B. Helmholtzverbünde TERENO Terrestrial Environemental Observatiries

ACROSS Advanced Remote Sensing – Ground-Truth Demo and Test Facilities

SOILCAN, Lysimeterverbund

Räume in der Bodenfläche: aktuelle Boden/Flächen-Analyse

Sensorik

Eddy-Kovarianz

Sensorik für Pflanzenanalytik

0 500 1000 MeterN

Remote sensing operation : Estimated LAI airborn, 300 m altitude Farm Scheyern

Non invasive soil analysis: EM 38 Farm Scheyern

80

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A 15 A 21Schlag

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N-Düngermenge [kg ha-1]

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A 15 A 21Schlag

NiedrigMittelHoch

N-Düngermenge [kg ha-1]

EO-1 with HYPERION SMOS with MIRAS (Microwave Imaging Radiometer using Aperture Synthesis)

Field spectrometer, radiometer and sensor networks

Eco-Dimona and DLR - DO228 with SAR and ARES sensor

grou

ndba

sed

airb

orne

sa

telli

te b

orne

Rem

ote

sens

ing

Ground truth

Flying campaigns

Satellite data

Development of algorithms: - landuse change - soil moisture retrieval - soil properties estimation (e.g. Corg, N)

validation calibration (e.g. SMOS CAL/VAL)

Remote sensing platform

TERENO: Helmholtz Netwerk of Terr. Observatorien

TERENO : in der Helmholtzgemeinschaft

ACROSS Infrastrukturprojekt der Helmholtz- gemeinschaft

Summary The ACROSS infrastructure will provide ground-truth data covering environmental variables across different spatial and temporal scales and environmental compartments. It will enhance the interpretation of satellite data for environmental science.

35 km resolution 10-40 km resolution

SMAP SMOS

Tandem-L provides unique & complementary information: • soil moisture • water level changes • river & ocean currents • weekly coverage & high resolution 0,3 – 10 m resolution

weekly coverage

Tandem-L

[vol.%]

50

0

Hydrosphere: Soil Moisture

Terrestrische Plattform Bodenfeuchte

Main instruments: Cosmic ray moisture sensors (UFZ, FZJ, KIT, HMGU) (60 instruments) Wireless sensor networks (UFZ, FZJ, KIT) Ground penetrating radar (FZJ) Ground radar (KIT) Differential absorption lidar (HMGU) Airborne: Radar sensor Ku- and Ka band (DLR) Mobile: Cosmic ray moisture sensors (UFZ)

TERENO-SOILCan das weltweit größte Netzwerk seiner Art

Lysimeternetzwerk

Zusammenfassung

Böden sind Wunderwerke der Natur und die belebtesten Umwelthabitate überhaupt Böden sind die Grundlage unseres Lebens Der Schutz der Böden ist dringendst: Menschen vernichten sie der Klimawandel wird viele Böden schädigen Die Forschung hat die Herausforderung zum Bodenerhalt angenommen. Dennoch: alle Böden werden nicht in ihren Funktionen erhalten bleiben. Der Klimawandel wird uns nicht ins Bodenlose führen, dafür können und müssen wir uns einsetzen.

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!