Räumliche Abschätzung der Folgen von Klimaänderungen auf Ertrag und Zusatzwasserbedarf landwirtschaftlicher Fruchtarten, dargestellt am Beispiel des Freistaates Thüringen

Bei der regionalen Abschatzung von Produktivitat und Wasserbedarf in der Landwirtschaft spielen die Anforderungen an Modelle, Daten und Simulationstools eine besondere Rolle. Am Beispiel der Agrarflachen des Freistaates Thuringen werden bei einer Gebietsauflosung von 1 ha mit Hilfe der statistisch basierten Modelle YIELDSTAT und ZUWABE Abschatzungen zu Ertrag und Zusatzwasserbedarf der Hauptkulturen vorgenommen. Die Modellvalidierung erfolgt anhand realer Wetterund Ertragsdaten aus 1995-2010 auf Landesversuchsstations-, Kreisund Landesebene. Simulationsszenarien mit dem WETTREG-2010 A1B-Szenario sind die Grundlage fur die Abschatzung der Veranderungen bei Ertrag und Zusatzwasserbedarf im Vergleich der Zeitraume 1981-2010 und 2021-2050. Die rein klimaanderungsbedingten Ertragseinbusen sind im Landesdurchschnitt bei Winterungen geringer (< 5 %) als bei Sommerungen (bis 14 %). Die Ergebnisse der Simulation werden vorgestellt, diskutiert und daraus Schlussfolgerungen gezogen. 1 Einleitung / Aufgabenstellung Fur eine regionale Folgenabschatzung von Klimaanderungen auf Ertrage und Zusatzwasserbedarf landwirtschaftlicher Fruchtarten uber viele Zeitdekaden besteht die Herausforderung darin, die unterschiedlichen Einflussgrosen und teils komplex wirkenden Prozesse skalenbezogen zu berucksichtigen und die enormen Datenmengen verfugbar zu machen und zu handeln. Dabei stellt die regionale Skala besondere Anforderungen an die meist nur im begrenzten Umfang zur Verfugung stehenden Daten (in der Regel Karten-Daten), an die fur die Abschatzungen zur Anwendung kommenden Modelle (in der Regel Regional Models of Intermediate Complexity – REMICs) und an das regionale Modellierungsund Simulations-Tool. Im letzteren Fall spielen Modell-GISFunktionalitaten kombiniert mit hocheffizienten Informatiklosungen eine entscheidende Rolle. Im Falle der Modelle sind Anforderungen an die Modellrobustheit und Modellzuverlassigkeit sowie Anforderungen an eine einfache und regional gultige Modellparametrisierung entscheidend. All dies berucksichtigend sollen am Beispiel der Ackerstandorte des Freistaates Thuringen die Auswirkungen von moglichen Klimaanderungen (hier: SRES-Emissionsszenario A1B des IPCC; regional hoch aufgeloste Projektion mittels WETTREG-2100 mit den Realisierungen trocken und feucht) auf die Ertrage, den Zusatzwasserbedarf und die bewasserungsbedingten Mehrertrage wichtiger Fruchtarten (Winterweizen, Wintergerste, Sommergerste, Winterraps, Silomais) abgeschatzt und fur die Zeitraume 1981-2010 und 2021-2050 in ihrer Wirkung verglichen werden. 2 Modelle, Daten, Simulationstool Grundlage fur die Abschatzung von Praxisertragen unter Klimawandel bildet das statistisch basierte Hybridmodell YIELDSTAT. Dieses Modell basiert auf einer standorttypabhangigen Naturalertrags-Matrix, klimaund standortsensitiven Ertrags-Termen, das Agro-Management (Fruchtfolge, Bodenbearbeitung, Bewasserung, widrige Erntebedingungen) berucksichtigenden Algorithmen, statistischen Trendanalysen und expertenbasierten Trendextrapolationen bis 2050 sowie auf einem den Dungungseffekt erhohter CO2-Gehalte berucksichtigenden Ansatz. Eine detaillierte Gesamtbeschreibung des Modells YIELDSTAT ist [MY12] zu entnehmen. Grundlage fur die Abschatzung des Zusatzwasserbedarfs unter Klimawandel bildet das Modell ZUWABE [MZ12], das auf fruchtartund standortspezifischen Richtwerten fur den Zusatzwasserbedarf und fruchtartspezifische Beregnungszeitspannen nach Roth [Ro93] basiert. Grundlage fur die regionaldifferenzierten Simulationsrechnungen bilden die fur Thuringen vorliegende Mittelmassstabige Landwirtschaftliche Standortkartierung (MMK, [SD91]), die mesoskalige Klimazonierung sowie das digitale Gelandemodell (DGM25). Die Wetterbzw. Klimadaten werden ausgehend vom fur Thuringen verfugbaren Klimaund Niederschlagsmessnetz des DWD mit der Methode nach VORONOI regionalisiert. Dabei wird die regionale Wetterund Klimaverteilung in Thuringen mit Hilfe von 299 Klima-Patches mit jeweils einer reprasentativen Station abgebildet. Die regionalen Simulationsund Szenariorechnungen, bei denen von gegenwartig praxisublichen Marktfruchtfolgen ausgegangen wurde, sowie die Regionalisierung der WETTREG 2010 A1B – Daten in Klima-Patches werden mit Hilfe des Spatial Analysis and Modeling Tool (SAMT) [Wi06] durchgefuhrt, skriptgesteuert uber simulationsspezifische Python-Module. Bei den Simulationsrechnungen fur Thuringen wird von einer Grose der Gridzellen von 100m x 100m ausgegangen. 3 Modellverifizierung und Modellvalidierung Bevor ein Modell fur Klimafolgeabschatzungen im Rahmen von regionalen Szenariosimulationen zum Einsatz kommen kann, muss es an die konkreten Bedingungen der Region unter Nutzung von historischen Datenreihen adaptiert und validiert werden. Die Anpassung von YIELDSTAT erfolgte unter Nutzung von Daten aus sechs reprasentativen Landesversuchsstationen (Kirchengel, Friemar, Dornburg, Grosenstein, Burkersdorf, Hesberg). Fur die Validierung wurde auf Daten von reprasentativen Kreisen (Kyffhauserkreis, Altenburger Land, Gotha, Hildburghausen, Sommerda, Saale-Orla-Kreis) und Daten fur den gesamten Freistaat Thuringen zuruckgegriffen. In allen Fallen wurde der Zeitraum 1995-2010 berucksichtigt. Im Modell ZUWABE wurde in weiten Teilen auf Algorithmen zuruckgegriffen, die in der Thuringischen Landesanstalt fur Landwirtschaft entwickelt und fur Thuringen parametrisiert wurden. Abbildung 1 zeigt beispielhaft Ergebnisse fur die Landesversuchsstationen (Modellanpassung) und fur die reprasentativen Kreise (Modellvalidierung). Abbildung 1: Ertragsvergleich zwischen Modell YIELDSTAT und Feldversuch (links) bzw. Kreisstatistik (rechts) fur Winterweizen (■), Wintergerste (▲), Sommergerste (▼) und Winterraps (♦) fur den Zeitraum 1995-2010 4 Szenariosimulationen Ergebnisse Im Vergleich der Klimasituation 2021-2050 zu 1981-2010 ergibt sich fur die Jahresmitteltemperatur in Thuringen eine Zunahme um 1,36 K (1,3 ... 1,5 K) und fur den Jahresniederschlag eine Abnahme um 3,5 % (11 ... 40 mm). Die Sommer werden dabei trockener (-5,9 %) und warmer (+1,38 K) und die Winter feuchter (+6,7 %) und warmer (+1,93 K). Die Vegetationsdauer verlangert sich in Thuringen in Abhangigkeit von der Region um 18 bis 35 Tage. In Tabelle 1 sind fur den Freistaat Thuringen fur die trockene Klimarealisierung die rein klimabedingten Veranderungen (ohne Berucksichtigung der Fortschritte in Zuchtung und Agro-Management) fur den Ertrag, den Zusatzwasserbedarf und den bewasserungsbedingten Mehrertrag in 2021-2050 gegenuber 1981-2010 zusammengefasst. In Thuringen kommt es standortund reliefbedingt bei Ertrag, Zusatzwasserbedarf und Mehrertrag zu deutlichen regionalen Unterschieden. Wahrend die hoher gelegenen Regionen (bisherige Ungunstlagen) vom Klimawandel profitieren, kommt es im Thuringer Becken auf den Nichtlos-Standorten zu groseren Ertragsverlusten und ob der geringeren Niederschlage wahrend der Hauptvegetationszeit zu einem hoheren Zusatzwasserbedarf. Tabelle 1: Veranderungen in Ertrag, Zusatzwasserbedarf und bewasserungsbedingtem Mehrertrag fur den gesamten Freistaat Thuringen fur einzelne Hauptkulturen in 2021-2050 gegenuber 19812010 berechnet mit den Modellen YIELDSTAT und ZUWABE (O – Mittel, Δ σ – Veranderung der Standardabweichung) Aus den Ergebnissen der Szenariosimulationen kann abgeleitet werden, dass es bis 2050 klimaanderungsbedingt im Mittel in Thuringen nur zu geringen Ertragseinbusen kommen wird, wobei die Winterungen weniger betroffen sein werden als die Sommerungen. Die Zunahme in der Standardabweichung weist auf eine Zunahme von Extremjahren hin, d.h. die Ertragssicherheit nimmt ab und das Anbaurisiko nimmt zu. Bei Berucksichtigung der zu erwartenden Fortschritte in Zuchtung und Agro-Management wird es auch bis 2050 zu weiteren Ertragssteigerungen kommen, wenn auch nicht mit den gegenwartigen Wachstumsraten. Literaturverzeichnis [MY12] Mirschel, W. ; Wieland, R. ; Wenkel, K.-O. ; Guddat, C. ; Michel, H. ; Luzi, K. ; Groth, K.: Regionaldifferenzierte Abschatzung der Auswirkungen des Klimawandels auf die Ertrage von wichtigen Fruchtarten im Freistaat Thuringen mittels Ertragssimulation mit YIELDSTAT: Abschlussbericht 86 S. ; ZALF Muncheberg, 2012. [MZ12] Mirschel, W. ; Wieland, R. ; Wenkel, K.-O. ; Luzi, K. ; Groth, K.: Regionaldifferenzierte Ausweisung fruchtartspezifischer Zusatzwasserbedarfe sowie der daraus resultierenden Mehrertrage von wichtigen Fruchtarten im Freistaat Thuringen vor dem Hintergrund der Auswirkungen des Klimawandels auf den Pflanzenbau : Abschlussbericht 59 S. ; Muncheberg (Leibniz-Zentrum fur Agrarlandschaftsforschung), 2012. [Ro93] Roth, D.: Richtwerte fur den Zusatzwasserbedarf in der Feldberegnung. In: Schriftenreihe LUFA Thuringen, Heft 6, S. 53-86, 1993. [SD91] Schmidt, R., Diemann, R. (Eds.): Erlauterungen zur Mittelmasstabigen Landwirtschaftlichen Standortkartierung (MMK). FZB Muncheberg, Muncheberg, 1991. [Wi06] Wieland, R.; Voss, M.; Holtmann, X.; Mirschel, W.; Ajibefun, I.A.: Spatial Analysis and Modeling Tool (SAMT): 1. Structure and possibilities. In: Ecological Informatics 1(2006), pp. 67-76, 2006.