Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4692
Main Title: Land and water for agriculture
Subtitle: Future prospects and trade-offs
Translated Title: Land und Wasser für die Landwirtschaft
Translated Subtitle: Zukunftsaussichten und Zielkonflikte
Author(s): Bonsch, Markus
Advisor(s): Popp, Alexander
Referee(s): Edenhofer, Ottmar
Gerten, Dieter
Wessolek, Gerd
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät VI - Planen Bauen Umwelt
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: Land und Wasser gehören zu den wichtigsten Voraussetzungen für menschliches Wohlergehen und landbasiertes Leben. Daher braucht es nachhaltige Strategien zur Land- und Wassernutzung, um eine wachsende Weltbevölkerung zu versorgen und wichtige natürliche Ökosysteme zu erhalten. Landwirtschaftliche Nahrungsmittel-, Material- und Energieproduktion stellt den tiefgreifendsten menschlichen Einfluss auf globale Land- und Wasserressourcen dar. Landwirtschaftliche Land- und Wassernutzung ist daher ein essentieller Faktor für die Nachhaltigkeit von Ressourcenmanagementstrategien. Das hauptsächliche Ziel dieser Dissertation ist es zu untersuchen, wie Landwirtschaft in Zukunft globale Land- und Wasserressourcen beeinflussen könnte. In einzelnen Studien werden Projektionen von landwirtschaftlicher Land- und Wassernutzung entworfen, wobei wichtige Einflussfaktoren wie Bevölkerungswachstum, ökonomische Entwicklung, Bioenergienachfrage, landbasierte Strategien zur Klimawandelvermeidung und nachhaltige Wassernutzungsstrategien berücksichtigt werden. In einer Synthese werden die Resultate der einzelnen Studien kombiniert um folgende Forschungsfragen zu beantworten: (1) Wie verhalten sich verschiedene landwirtschaftliche Strategien in Bezug auf ökologische Folgen für Land- und Wasserressourcen und benötigte Veränderungen des Systems? (2) Wie groß ist der Spielraum für Strategien zur landwirtschaftlichen Land- und Wassernutzung? Zur Untersuchung dieser Forschungsaufgaben wird das „Modell für Landwirtschaft und ihre Auswirkungen auf die Umwelt“ (MAgPIE) angewendet. Mit MAgPIE werden Szenarien zukünftiger landwirtschaftlicher Aktivität entworfen. Dabei werden sozioökonomische Treiber und biophysikalische Randbedingungen in einem Kostenoptimierungsverfahren berücksichtigt. Für diese Dissertation wurde das Modell um einen detaillierten Wassersektor erweitert, der die Implementierung von Wasserverfügbarkeit, Bewässerungsinfrastruktur, nicht-landwirtschaftlichem Wasserbedarf und ökologischem Wasserbedarf verbessert. Die Ergebnisse legen nahe, dass der Schutz von Frischwasserökosystemen vor Degradation durch landwirtschaftliche Aktivitäten ohne fundamentale Auswirkungen auf Ackerlandausdehnung in landbasierte Ökosysteme erreicht werden kann. Landbasierte Strategien zur Klimawandelvermeidung werden wahrscheinlich eine fundamentale Transformation der Landwirtschaft erfordern. Dabei unterscheiden sich die ökologischen Folgen verschiedener Vermeidungsstrategien. Aufforstung und Strategien zur Vermeidung von Emissionen durch Landnutzungsänderungen können helfen, wichtige landbasierte Ökosysteme zu erhalten oder sogar zu erschaffen. Großskaliger Anbau von Bioenergiepflanzen dagegen kann Land- und Frischwasserökosysteme ernstzunehmenden Gefahren aussetzen. Die ausgeprägte Austauschbeziehung zwischen Land und Wasser für die Bioenergieproduktion legt nahe, dass es für nachhaltige Bioenergieproduktion entscheidend ist, sowohl die Land-, als auch die Wassernutzung zu berücksichtigen. Basierend auf den hier vorgestellten Ergebnissen gibt es Hoffnung, dass der Spielraum für die Landwirtschaft groß genug ist um die Anwendung verschiedenster Strategien zu erlauben. Einerseits lassen Ressourcenbeschränkungen reichlich Spielraum für erhöhte Land- und Wassernutzung in der Landwirtschaft. Andererseits scheint das System flexibel genug zu sein, um eine Erhöhung der Nahrungsmittelproduktion bei gleichzeitiger Verringerung des ökologischen Fußabdrucks in Bezug auf Land- und Wassernutzung zu erreichen.
Land and water are among the most vital resources for human wellbeing and terrestrial life in general. Therefore, sustainable management strategies for land and water need to be developed in order to sustain a growing world population and important natural ecosystems. Agricultural activity for food, material, and energy production constitutes the most profound anthropogenic influence on global land and water resources. Thus, agricultural land and water-use is a key determinant of the sustainability of resource management strategies. The main research objective of this thesis is to explore, how agriculture might affect global land and water resources in the future. In individual studies, projections of agricultural land and water-use are developed, considering important drivers such as population growth, economic development, bioenergy demand, terrestrial climate change mitigation strategies, and sustainable water-use strategies. In a synthesis, the results of the individual studies are combined in order to answer the following research questions: (1) How do different agricultural strategies compare in terms of environmental implications for land and water resources and required transformation of the system? (2) How large is the operating space for land and water management strategies in agriculture? Methodologically, this thesis relies on the Model of Agricultural Production and its Impacts on the Environment (MAgPIE). MAgPIE can be used to derive scenarios of future agricultural activity by considering socioeconomic drivers and biophysical constraints in a cost optimization framework. For this thesis, the model was extended by a detailed water sector that features an improved representation of water availability, irrigation infrastructure, non-agricultural water demand, and environmental water requirements. Results indicate that protecting freshwater ecosystems from degradation due to agricultural activity can be achieved without fundamental trade-offs in terms of cropland expansion into terrestrial ecosystems. Terrestrial climate change mitigation strategies will likely require a fundamental transformation of the agricultural system. Environmental consequences differ between mitigation strategies. While afforestation and strategies to avoid land-use change emissions can help to protect or even create important terrestrial ecosystems, large-scale bioenergy production can put a severe threat to terrestrial and freshwater ecosystems. Pronounced trade-offs between land and water for bioenergy production suggest that it is crucial to consider both, land and water-use, when aiming at sustainable bioenergy production. Based on the here presented results, there is hope that the operating space for agriculture is large enough to support a variety of management strategies. On the one hand, resource constraints still leave ample space for increasing land and water inputs for agriculture. On the other hand, the system seems flexible enough to allow for increasing food production with a reduced environmental footprint in terms of land and water appropriation.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus4-71489
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/4989
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4692
Exam Date: 3-Sep-2015
Issue Date: 12-Oct-2015
Date Available: 12-Oct-2015
DDC Class: 550 Geowissenschaften
551 Geologie, Hydrologie, Meteorologie
Subject(s): Land
Wasser
Landwirtschaft
nachhaltige Nutzung
Mitigation
Szenario
global
Land
water
agriculture
sustainable use
mitigation
scenario
global
Creative Commons License: https://creativecommons.org/licenses/by/3.0/de/
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