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Diese Grafik stellt eine Beispielzelle in LPJmL dar. Dieses Modell benutzt Klimadaten, jährliche CO2-Konzentrationen, Landnutzungsmuster und Bodenstruktur als Inputs um das Wachstum von natürlicher Vegetation, bewässerter und unbewässerter Landwirtschaft, Bioenergiepflanzen und Weideflächen zu simulieren. Auch Kohlenstoffbestände und –flüsse, also GPP sowie Wachstums- und Erhaltungsatmung, werden simuliert. Alles in täglichen Zeitschritten und normalerweise in einer räumlichen Auflösung von 0,5 Grad, was am Äquator eine Auflösung von ungefähr 50 km Mal 50 km heißt.

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LPJmL modelliert die Photosynthese, die Pflanzenphänologie und die Reife von landwirtschaftlichen Pflanzen und somit auch die potenzielle Produktion. Ein wichtiger Vorteil des Modells ist dass die Photosynthese und die Pflanzentranspiration dynamisch mit der Wasserverfügbarkeit gekoppelt ist und somit kann LPJmL Wasserstress und den CO2-Düngungseffekt simulieren.

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Außerdem werden natürlich Wasserflüsse und Wasserbestände berechnet, wie z.B.

Bodenverdunstung, Pflanzentranspiration, Interzeption, Abfluss, Schneeschmelze,

Bodenwasser und natürlich auch Bewässerungsbedarf und -Menge.

Bewässerung wird in bewässerten Flächen aktiviert wenn der Bodenwassergehalt unter 90%

der Feldkapazität sinkt und die atmosphärische Nachfrage größer ist als die

Wasserverfügbarkeit.

Der Brutto-Bewässerungsbedarf berücksichtigt die Effizienz der Bewässerungssysteme und

hängt auch von der Wasserverluste im Wasserverteilungssystem ab.

Die Bewässerung kann in LPJmL auf die Wasserverfügbarkeit limitiert werden oder als

immer möglich betrachtet werden. Diese letzte Möglichkeit soll nicht nachhaltige

Bewässerungsquellen und auch Transfers aus anderen Wassereinzugsgebieten

repräsentieren.

Das war jetzt ganz kurz die Beschreibung der Modellhydrologie.

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Das Modell wurde nach und nach mit neuen Pflanzenklassen vervollständigt, neben der wichtigsten natürlichen Biomen, hat LPJmL jährliche Feldfruchtgruppen, landwirtschaftliche Bäume und Bioenergie Kulturen.

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Ich werde jetzt nicht auf die Details der biologischen und agronomischen Prozessen eingehen, welche im Modell repräsentiert sind, vielleicht nur sagen, dass ein der größten Vorteile des Modells ist die Berechnung von dynamischen Aussaatterminen und Wachstumsperioden. Somit berücksichtigt das Modell die Anpassung der Wachstumsperiode am Klimawandel.

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Wie jedes Modell, LPJmL ist eine Vereinfachung der Realität und somit gibt es eine ganze Reihe von Prozessen, die nicht im Modell berücksichtigt werden, unter anderem die Wasserverschmutzung.

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Das Modell wird für Studien in drei Bereichen verwendet: Kohlenstoffzyklus, Landwirtschaftliche Produktivität, und Wasser, vor allem um zu bestimmen, wie Klimawandel die Funktionen von Ökosystemen verändert und welche Wasserprobleme wir in Zukunft haben werden.

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Und hiermit gehe ich zum zweiten Block der Präsentation, wo ich ein paar Anwendungsbeispiele zeigen werde.

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Das erste ist über die Wassernutzungseffizienz, nicht nur von Bewässerungswasser, sondern auch von Regenwasser

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Der virtuelle Wassergehalt wird berechnet durch die Division von Wasserverbrauch, also Bodenverdunstung, Interzeption und Transpiration durch den landwirtschaftlichen Ertrag und hat somit die Einheit m3 verbrauchtes Wasser pro kg produzierte Feldfrucht. Hier sehen wir den virtuellen Wassergehalt vom unbewässerten Mais, von LPJmL berechnet. Die Muster zeigen die unterschiedlichen Wassermengen, die nötig sind, um ein Kilogramm Mais zu produzieren. Im Allgemeinen haben Länder in der nördlichen temperierten Zone einen niedrigeren virtuellen Wassergehalt als tropische und subtropische Länder. Und dies hängt nicht nur vom Klima ab, sondern auch von den Bewirtschaftungstechniken.

Der virtuelle Wassergehalt wird natürlich nicht unverändert bleiben. Hier sehen wir die prozentuale Änderung des virtuellen Wassergehalts von Mais bis 2050 unter Klimawandel. Der virtuelle Wassergehalt wird höher in vielen Regionen, zB in den USA, Argentinien, Indien, China und Südeuropa. Diese Regionen werden sehr wahrscheinlich in Zukunft mehr Wasser für die landwirtschaftliche Produktion brauchen.

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Das zweite Anwendungsbeispiel ist die Berechnung von Wasserfußabdrücke, also die Wassermenge, welche auf dem eigenen Territorium und im Ausland für die Produktion der Konsumgüter eines Landes verbraucht wird

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Hier sieht man links die blauen Wasserfußabdrücke und rechts die grünen Wasserfußabdrücke, in Kubikmeter pro Einwohner. Der Gesamtwasserfußabdruck ist die Wassermenge, welche auf dem eigenen Territorium und im Ausland für die Produktion der Konsumgüter eines Landes verbraucht wird. Der blaue Gesamtwasserfußabdruck ist vor allem im Mittleren Osten hoch, wobei der externe Teil, also der Teil, der im Ausland verbraucht wird, fast überall relativ gering ist. Niger, Argentinien und die Zentrale Afrikanische Republik haben die höchsten grünen Gesamtwasserfußabdrücke, auch meist vom internen Teil bestimmt. Global betrachtet, dominiert Grünwasser die Produktion von landwirtschaftlichen Gütern, sei es für den Inlandskonsum oder für den Export. Wenn man so die Karten von Wasserfußabdrücken anguckt, fragt man sich ob die Länder die viel Wasser verbrauchen, vor allem eigenes oder externes Wasser konsumieren.

Und das sieht man hier. Auf beiden Achsen ist das Verhältnis von externen zu internen Wasserabdrücken, auf x für Blauwasser, auf Epsilon für Grünwasser. Die Farben repräsentieren Länder die überdurchschnittliche Wasserfußabdrücke haben. Es ist ziemlich viel Information, aber was Sie darauf sehen, ist dass fast alle Länder die überdurchschnittlich viel Wasser konsumieren, vor allem eigenes Wasser verbrauchen. Nur die Länder hier in blau, rot und grün verbrauchen viel Wasser und dazu die Wasserressourcen anderer Länder stärker als die eigenen Ressourcen.

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Ich gehe dann zum dritten Anwendungsbeispiel, die internationale Wasserabhängigkeit

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Diese Karte oben zeigt wie viel Prozent der Bevölkerung in jedem Land dank nicht-nationalen Wasser- und Landressourcen essen kann, oder anders gesagt, wie viel Prozent der Bevölkerung vom internationalen Handel abhängt. Global gesehen sind das circa neunhundertfünfzig Millionen Menschen. Das heißt, dass heute sechzehn Prozent der globalen Bevölkerung von externen Wasser- und Landressourcen abhängig ist. Insbesondere in Nordafrika und in Andenländern ist das mehr als die Hälfte der Bevölkerung.

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Die Karte unten zeigt wo der Konsum von landwirtschaftlichen Gütern über die nationalen Grenzen der Ressourcenverfügbarkeit hinausgeht. Die Länder in rot, braun und blau können sich selbst nicht ernähren, und zwar aufgrund von Wasser- und/oder Landknappheit. Aus dem Vergleich dieser zwei Karten kann man sehen, dass die heutige Abhängigkeit von Skandinavien und Andenländern nicht aufgrund von Ressourcenknappheit ist, während die Abhängigkeit von Nordafrika und Mittleren Osten sehr wohl mit Land- und Wasserknappheit zusammenhängt. Diese Länder haben ja keine andere Wahl als landwirtschaftliche Produkte zu importieren. Die Frage, die sich dann sofort stellt ist wie sich diese jetzige Abhängigkeitssituation in Zukunft entwickeln wird.

Die Länder in dunkel rot sind die interessantesten, diese Länder können versuchen was sie wollen, selbst wenn sie all ihre Ressourcen in der optimalsten Form nützen, sie werden aufgrund von Wasser- und Landknappheit sich selbst nicht ernähren können und werden von Importen abhängig sein. Ihr seht, dass viele dieser Länder in Afrika sind. Die Frage die man sich sofort stellt ist ob diese Länder die nötigen Importe bezahlen können oder nicht.

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Tja, es ist schwer zu sagen, es hängt davon ab, ob diese Länder die Produktivität steigen können und ihre Ressourcen optimal zur Nahrungsmittelproduktion einsetzen. Aber die Zahl von Menschen in Hungergefahr in 2050aufgrund Wasser- und Landknappheit könnte zwischen 55 Millionen und 1,3 Milliarden liegen.

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Das letzte Beispiel ist über den heutigen Bewässerungsbedarf in der Mittelmeerregion

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Hier sieht man den Bewässerungswasserbedarf in Kubikkilometer. Die landwirtschaftlichen Pflanzen brauchen heute ca. 128 Kubikkilometer Bewässerungswasser pro Jahr. Wenn man die Verluste von der Quelle zum Feld miteinbezieht sind das insgesamt 223 Kubikkilometer Bewässerungswasser pro Jahr. Interessanterweise, wenn man das Modell laufen lässt indem man nur Tröpfchen-Bewässerung und optimale Verteilungssysteme annimmt, braucht man nur 143 Kubikkilometer Bewässerungswasser pro Jahr. Das heißt, dass die Mittelmeerregion ein Wassereinsparpotenzial von 35% hat.

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Diese Wassereinsparpotentiale variieren von Land zu Land, hier seht ihr, dass zum Beispiel Ägypten, die Türkei und Syrien große Einsparpotentiale haben, während Libyen, Tunesien und Frankreich geringere Einsparpotenziale haben. Diese Länder verwenden nämlich bereits sehr effiziente Bewässerungs- und Verteilungssysteme.

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Damit komme ich zum letzten Teil der Präsentation über ein paar der aktuellen Projekten, die bei mir auf dem Tisch liegen

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Hier seht ihr die Veränderung der Netto-Bewässerungsanforderungen bis zum Ende des Jahrhunderts für unterschiedliche Erwärmungs- und CO2-Düngungssszenarien. Von zwei, über drei, vier und bis fünf Grad globale Erwärmung. In der Sättigung der Skala sehen Sie ob die verschiedenen globalen Klimamodellen dasselbe Signal ergeben oder nicht. Diese Folie zeigt, dass wir in Zukunft mehr Bewässerungswasser brauchen werden, Sie sehen, dass die Karten mit steigender globalen Temperatur mehr und mehr Richtung orange und rot gehen. Und dieses Signal ist dazu robust. Da wir mehr Bewässerungswasser brauchen werden, werden wir auch mehr Energie brauchen, um diese Menge Wasser zu bewegen.

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Und dort kommt die Entwicklung eines empirischen Modells für Photovoltaikanlagen. Daran arbeite ich seit 3 Jahren und im Prinzip soll es zeigen, ob wir Bewässerung mit Solarmodulen antreiben können, oder ob diese Anlagen zu viel Fläche brauchen würden. So wie es aussieht, könnte dies eine gute Anpassung und Mitigationsstrategie für den Mittelmeerraum sein.

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Hier ist eine vorläufige Quantifizierung für zwei landwirtschaftliche Betriebe in der Nähe von Marseille, 3 Hektar Weinberge und 3 Hektar Mais. Sprinkleranlage im Falle des Weinbergs, Tröpfchensystem in der Maisfarm. Ohne ins Detail zu gehen, könnte zB die Bewässerung am Weinberg in 2080 mit weniger als 50m2 Sollarkollektoren betrieben werden. Im Falle der Maisfarm wären das sogar nur um die 20 m2, aufgrund der schwächeren Auswirkungen des Klimawandels und des geringeren Wasserbedarfs. Besonders schön ist, dass die benötigten Flächen für die Photovoltaikanlagen klein genug sind um diese auf den Dächern der landwirtschaftlichen Gebäude zu installieren. DH, die stellen kleine Flächenkonkurrenz zur Nahrungsmittelproduktion dar.

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Und das andere aktuelle Thema, woran ich jetzt arbeite, ist die Simulierung von SDG Indikatoren, nicht nur mit LPJmL, sondern auch mit anderen Hydrologie-, Landnutzungs- und Agent-based models. Der Vorschlag ist nicht auf die Wasserziele limitiert, sondern umfasst auch manche Ökosystem-, Ernährungs- und Energieziele Die Arbeit wird in einem internationalen Konsortium von 32 Wissenschaftlern.

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