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Treibhausgase in der Landwirtschaft – eine Einführung Dr. Jens Leifeld AGROSCOPE FAL Reckenholz Eidgenössische Forschungsanstalt für Agarökologie und Landbau. 1. Grundlagen

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Presentation Transcript
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Treibhausgase in der Landwirtschaft – eine Einführung

Dr. Jens Leifeld

AGROSCOPE FAL Reckenholz

Eidgenössische Forschungsanstalt für Agarökologie und Landbau

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1. Grundlagen

Global Change, Globale Treibhausgasflüsse, Wirkungsweise Treibhausgase, Global Warming Potentials, Klimakonvention, Kyoto-Protokoll, Senkenanrechung

2. Entstehung von Treibhausgasen in der Landwirtschaft

Redoxchemie, Entstehung und Verbrauch von N2O und CH4; Corg-Gehalte landwirtschaftlicher Böden/Sequestrierung

3. Treibhausgasbilanzen Landwirtschaft

Treibhausgasbilanzen gem. IPCC, Zeitliche Entwicklung der THG-Emissionen Schweiz, Reduktionsstrategien- und Potenziale

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Global Change – Rekapitulation:

  • Parallelität atmosphärische CO2-Konzentration und Temperaturschwankung
  • Anstieg der atm. Konzentration der Treibhausgase CO2, N2O, CH4
  • Menschlicher Einfluss auf die Zusammensetzung der Erdatmosphäre:
  • Heutige atmosphärische CO2-Konzentration höher als in den letzten 400000 a.
  • Anomalien der Oberflächentemperatur nördl. Hemisphäre in den letzten 1000 Jahren
  • Ein signifikanter Anteil des Anstiegs der Treibhausgaskonzentration in der

Atmosphäre ist anthropogen

  • Es gibt einen signifikanten, anthropogen verursachten Anstieg der

Temperatur

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Grundlagen I. Quellen und Senken

CO2-Budget Global

Average annual budget of CO2 for 1980 to 1989 and for 1989 to 1998 (in Gt C a-1) ( 90% confidence interval) ; IPCC (2000)

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Grundlagen I. Globale Quellen und Senken

in CO2-Äquivalenten (Gt CO2 a-1)

Sink   Source

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Grundlagen II. Wirkungsweise Treibhausgase

Strahlungsbilanz der Erde (W m-2)

Incoming

radiation

Outgoing

longwave

107

342

235

Reflected solar

radiation

GHG

Surface

radiation

24

78

390

Absorption

by surface

168

67

Absorption

by atmosphere

324

Back

radiation

Sensible

heat

Latent

Heat (ET)

atmosphere

surface

342 – 107 = 235;24 + 78 + 390 = 492 - 324 = 168; 168 + 67 = 235

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Grundlagen II. Wirkungsweise Treibhausgase

Radiative Forcing und Global Warming Potenials GWP

Radiative Forcing: „Change in net (down minus up) irradiance at the tropopause“

Für CO2: RF = 5.35*ln(C/C0) [W m-2]

RF = 5.35*ln(365/278) = 1.46 = 0.017 W m-2 ppmv-1

slide10

Grundlagen II. Wirkungsweise Treibhausgase

GWP und mittlere Verweildauer der Kyoto-Treibhausgase

Global Warming Potential: „A measure of the relative radiative effect of a given substance compared to another, integrated over a chosen time horizon.“

Ein relatives Mass für die Treibhauswirksamkeit von 1 kg einer Substanz relativ zu 1 kg CO2.

TH time horizon;

ax radiative efficiency due to one unit increase in

atmospheric abundance (W m-2 kg-1);

ar radiative efficiency of CO2

x(t) time-dependent decay of the substance

r(t) time-dependent decay of the reference CO2

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Grundlagen II. Wirkungsweise Treibhausgase

GWP und mittlere Verweildauer der Kyoto-Treibhausgase

CO2-Äquivalente: z.B. 1 kg CH4 entspricht 23 kg CO2-Äquivalenten

für einen 100-jahres Zeitraum

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Grundlagen III. UNFCCC

United Nations Framework Convention on Climate Change UNFCCC (http://unfccc.int/) 1992

Acknowledgingthat change in the Earth's climate and its adverse effects are a common concern of humankind, …

Determined to protect the climate system ...,

Have agreed as follows:

... to achieve ... stabilization of greenhouse gas concentrations in the atmosphere at a level that would prevent dangerous anthropogenic interference with the climate system. Such a level should be achieved within a time-frame sufficient to allow ecosystems to adapt naturally to climate change, ...

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Grundlagen III. Kyoto-Protokoll

Kyoto-Protokoll, 1997 (I)

1. Each Party in achieving its quantified emission limitation and reduction commitments under Article 3, in order to promote sustainable development, shall implement and/or further elaborate policies and measures in accordance with its national circumstances, such as:

(i) Enhancement of energy efficiency in relevant sectors of the national economy;

(ii) Protection and enhancement of sinks and reservoirs of greenhouse gases not controlled by the Montreal Protocol, taking into account its commitments under relevant international environmental agreements; promotion of sustainable forest management practices, afforestation and reforestation;

(iii) Promotion of sustainable forms of agriculture in light of climate change considerations;

(iv) Research on, and promotion, development and increased use of, new and renewable forms of energy, of carbon dioxide sequestration technologies and of advanced and innovative environmentally sound technologies;

slide14

Grundlagen III. Kyoto-Protokoll

Kyoto-Protokoll, 1997 (II): Instrumente Sinks and Reservoirs

Article 3.3: The net changes in greenhouse gas emissions by sources and removals by sinks resulting from direct human-induced land-use change and forestry activities, limited to afforestation, reforestation and deforestation since 1990, measured as verifiable changes in carbon stocks in each commitment period, shall be used to meet the commitments under this Article of each Party included in Annex I.

Article 3.4: … each Party included in Annex I shall provide ... data to establish its level of carbon stocks in 1990 and to enable an estimate to be made of its changes in carbon stocks in subsequent years. The Conference of the Parties ... shall decide upon modalities, rules and guidelines as to how, and which, additional human-induced activities related to changes in greenhouse gas emissions by sources and removals by sinks in the agricultural soils and the land-use change and forestry categories shall be added to, or subtracted from, the assigned amounts for Parties included in Annex I

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Grundlagen III. Kyoto-Protokoll

Nachfolgekonferenzen Bonn und Marrakesh

Forest management, cropland management, grazing land management, and revegetation area are eligible land-use, land-use change and forestry activities under 3.4 of the Kyoto Protocol.

A Party have to demonstrate, that such activities have occurred since 1990 and are human-induced.

Accounting excludes removals resulting from elevated CO2, indirect N deposition, dynamic effects of age structure.

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Grundlagen III. Kyoto-Protokoll

Stichwörter

Joint Implementation: Klimaschutzprojekte zwischen Industrieländern (Annex I Staaten) mit Emissionsgutschriften. Senkenprojekte: Land- und Forstwirtschaft. Forstwirtschaft Art. 3.4: max. 1.83 Mt CO2 (=CAP für CH)

Clean Development Mechanism: Klimschutzprojekte zwischen Annex- I – und Entwicklungsländern. Senkenprojekte: Nur Aufforstung und Wiederaufforstung bis jährlich max. 1% der nationalen Emissionen 1990

Emission Trading: Handelspartner für Emissionszertifikate: Alle Annex-I Länder

Net Net accounting: Änderung der Nettobilanz gegenüber 1990: Gilt nur für landw. Aktivitäten, nicht für Waldbewirtschaftung

Verification: IPCC Good Practice Guidance LULUCF; Stichwörter: independent assessments, direct measurement, modelling, remote sensing

Flexible Mechanismen

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Grundlagen III. Kyoto-Verpflichtung Schweiz

Verpflichtungen der Schweiz

Mit der Ratifizierung des Kyoto-Protokolls verpflichtet sich die Schweiz, für die erste Verpflichtungsperiode 2008-2012 zur Reduktion der Treibhausgasemissionen um 8% relativ zu 1990

(base year):

Bruttoemissionen 1990: 53 Mt CO2 equiv. 

4.3 Mt CO2 equiv.pro Jahr Vermeidungsverpflichtung 2008-2012

CO2-Gesetz: Verringerung der fossilen CO2-Emissionen um 10% in 2010 relativ zu 1990.

slide18

Zusammenfassung Grundlagen

  • Anstieg GHG Konzentration Atmosphäre seit Industrialisierung
  • Statistischer Zusammenhang Anstieg GHG und Temperatur
  • Kausaler Zusammenhang Anstieg GHG und Temperatur wahrscheinlich
  • Physikalische Wirkung GHG  Strahlungsbilanz
  • Normierung auf GWP (Einheitswährung)
  • Völkerrechtliche Verpflichtung zur Verminderung Treibhausgasemissionen
  • CO2-Quellen Global: Anteil Landnutzungsänderung/Landwirtschaft = 21%
  • CH4-Quellen Global: Anteil Landnutzungsänderung/Landwirtschaft = 67%
  • N2O-Quellen Global: Anteil Landnutzungsänderung/Landwirtschaft = 84%
  • (bezogen jeweils auf die anthropogenen Quellen)
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1. Grundlagen

Global Change, Globale Treibhausgasflüsse, Wirkungsweise Treibhausgase, Global Warming Potentials, Klimakonvention, Kyoto-Protokoll, Senkenanrechung

2. Entstehung von Treibhausgasen in der Landwirtschaft

Redoxchemie, Entstehung und Verbrauch von N2O und CH4; Corg-Gehalte landwirtschaftlicher Böden/Sequestrierung

3. Treibhausgasbilanzen Landwirtschaft

Treibhausgasbilanzen gem. IPCC, Zeitliche Entwicklung der THG-Emissionen Schweiz, Reduktionsstrategien- und Potenziale

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Treibhausgase und Landwirtschaft I.

Treibhausgase als Produkte von Redoxreaktionen

  • Aox + Bred  Ared + Box Allgemeine Reaktionsgleichung
  • O2 + (CH2O)  H2O + CO2 Beispiel Oxidation org. Substanz
  • 0 0,+I,-II +I,-II +IV,-II
  • Redoxpotential E: Elektrochemische Arbeitsfähigkeit eines Elektrons (V)
  • Redoxpotential der Gesamtreaktion = Summe der Einzelpotentiale
  • Beispiel:
  • Oxidationshalbreaktion:
  • CH2O+H2O  CO2+4e-+4H+; E = +0.42V
  • Reduktionshalbreaktion:
  • O2+4e-+4H+  2H2O; E = +0.82 V
  • Redoxpotential Gesamtreaktion = +0.82 V + 0.42 V = +1.24 V
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Treibhausgase und Landwirtschaft I.

Treibhausgase als Produkte von Redoxreaktionen

Redoxpotential Gesamtreaktion = +0.82 + 0.42 = +1.24 V

Änderung der freien Energie: G = -nFE0´ [J]

n = Anzahl Elektronen; F = Faraday-Konstante (9.68*10^4J/mol/V); E0´ = Redoxpotential bei pH7 (V)

Das bedeutet für die Oxidation organischer Substanz im Boden mit O2 als Oxidationsmittel:

O2 + (CH2O)  H2O + CO2

G = -4*9.68*10^4*1.24 = -480 kJ/mol

Das Redoxpotential einer Reaktion ist direkt proportional zur Änderung in der freien Energie G

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Treibhausgase und Landwirtschaft I.

Treibhausgase als Produkte von Redoxreaktionen

Oxidation organischer Substanz (CH2O) mit unterschiedlichen Elektronenakzeptoren:

Aerobe

Atmung

Redoxreihe

Anaerobe

Atmung

Die Nutzung alternativer Elektronenakzeptoren verringert die energetische Effizienz der C-Oxidation

slide23

Treibhausgase und Landwirtschaft II.

Lachgas

NH3emission

Mineral Fertilizer

Fixation

Deposition

N- emissions

Manure

Plant residues

Plant uptake

Organic N

Nitrification

Mineralisation

NH4+ (N2O)  NO2 -  NO3-

NH4

NO3

Ion exchange

-III +I  +III  +V

NO3leaching

Denitrification

2NO3- 2NO2 -  2NO  N2O  N2

+V +III  +II  +I  0

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Treibhausgase und Landwirtschaft II.

Lachgas

O2-Konzentration (%)

0%

1%

5%

10%

15%

21%

22%

(Sexstone et al., 1985)

  • Bereiche unterschiedlicher O2-Konzentration treten gleichzeitig im Boden auf; Wassergehaltsabhängig!

Durchmesser: 12 mm

2NO3- + 2CH2O + 2H+ N2O + 2CO2 + 3H2O | 1.04 V; Halbreaktion: +0.56 V

O2 + CH2O  H2O + CO2 | 1.24 V; Halbreaktion: +0.82 V

  • Die Denitrifizierung im Boden ist an niedrigere Redoxpotentiale gekoppelt und geschieht bevorzugt bei O2-Defizit
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Treibhausgase und Landwirtschaft II.

Sind solche O2-Gradienten im Aggregatinneren typisch oder untypisch?

(Angaben u.a. aus: Hillel 1998; Fenchel 1998)

O2 Konzentrationsdifferenz C Aggregatoberfläche – Aggregatinneres:

C=S*R^2/6D, mit

C=Konzentrationsunterschied Oberfläche – Zentrum; R=Aggregatdurchmesser, S=O2 Verbrauchsrate, D=Diffusionskoeffizient O2 in Wasser

Für C= O2-Konz. bei Sättigung = Kh (O2) * pO2 (=0.21) ergibt sich durch Umstellen nach R:

R = [C *6D/S]^0.5 = Aggregatdurchmesser, bei dem für eine definierte O2-Verbrauchsrate S im Aggregat pO2 = 0 wird.

S = 32 – 160 (Bodenproben) bzw. 3600 (Grasabbau aerob) [nmol O2/ml/h] 

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Treibhausgase und Landwirtschaft II.

Sind solche O2-Gradienten im Aggregatinneren typisch oder untypisch?

(Angaben u.a. aus: Hillel 1998; Fenchel 1998)

S = 32 – 160 (Bodenproben) bzw. 3600 (Grasabbau aerob) [nmol O2/ml/h] 

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Treibhausgase und Landwirtschaft III.

Methan

Organic matter

input

Methane emission

Water table

Eh = > +100 mV

Methane-

oxidation

NO3-, Fe3+, Mn4+

Methanotrophs

NO3-, Fe3+, Mn4+

Eh = -200 bis +100 mV

depth

SO42-

SO42-

Eh = < -200 mV

Methanogenesis

Methanogens

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Treibhausgase und Landwirtschaft III.

Methan

CH4 + 2O2 CO2 + 2H2O

Eh = > +100 mV

Methanotrophes

Eh = -200 bis +100 mV

Two pathways of methane formation:

1) CO2 + 4H2 CH4 + 2H2O

2a) Fermentation org. matter  acetate,

H2, CO2, ethanol,

2b) CH3COO- + H+  CH4 + CO2

Methanogenes

Eh = < -200 mV

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Treibhausgase und Landwirtschaft IV.

Boden-C Pools

Zwei Stellschrauben:

1. Input

Landnutzung

Management

Ertrag

Düngung

Plant biomass

Soil-C

= Input * Turnover time

(steady-state)

2. Turnover

Management (Bodenbedeckung,

Bodenbelüftung)

Streuqualität

Abiotische Faktoren

Bodenbiologie

slide30

Zusammenfassung Treibhausgase und Landwirtschaft

  • Treibhausgase als Produkte von Redoxreaktionen:
  •  aerobe Bereiche begünstigen oxidierte Species
  •  anaerobe Bereiche begünstigen reduzierte Species:
  • Denitrifikation, Methanbildung, Torfakkumulation
  • 2. Kohlenstoffakkumulation/Kohlenstoffverlust im Boden: Produkt von Inputmenge und Turnoverzeit; Akkumulation ist reversibel
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1. Grundlagen

Global Change, Globale Treibhausgasflüsse, Wirkungsweise Treibhausgase, Global Warming Potentials, Klimakonvention, Kyoto-Protokoll, Senkenanrechung

2. Entstehung von Treibhausgasen in der Landwirtschaft

Redoxchemie, Entstehung und Verbrauch von N2O und CH4; Corg-Gehalte landwirtschaftlicher Böden/Sequestrierung

3. Treibhausgasbilanzen Landwirtschaft

Treibhausgasbilanzen gem. IPCC, Zeitliche Entwicklung der THG-Emissionen Schweiz, Reduktionsstrategien- und Potenziale

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Treibhausgasbilanzen Landwirtschaft

Methodischer Ansatz IPCC

Tier 1: Only IPCC default values are used

Tier 2: Country-specific modification of default emission factors and activity data = higher resolution and certainty

Tier 3: Country-specific modification plus dynamic modelling

and/or inventory measurement systems = highest certainty

Increase in complexity

  • Grundlage jedes Emissionsinventars: Emission = Aktivität * Emissionsfaktor
  • Aktivität: z.B. Menge N-Dünger pro Fläche und Jahr; Tierzahl
  • Emissionsfaktor: z.B. Anteil N2O-Emission pro Einheit Dünger-N
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Treibhausgasbilanzen Landwirtschaft

Methodischer Ansatz IPCC: Bodenkohlenstofffaktoren

Base factor * Default C stock native * Tillage factor * Input factors

slide34

Treibhausgasbilanzen

C-Sequestrierungsraten

slide35

Treibhausgasbilanzen

N2O-Emissionen Landwirtschaft n. IPCC

slide36

Treibhausgasbilanzen

N2O-Emissionsfaktoren (IPCC, 2000)

Beispiel Aktivität Milchkuh:

Weidegang

Gülle Stall

Mist Stall

7.3 kg N

106 kg N a-1

69 kg N

29.6 kg N

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Treibhausgasbilanzen N2O-Emissionen Berechnung Schweiz

(Faktoren IPCC; Aktivitäten modifiziert nach Schmidt et al., 2000)

Beispiel für Tier 2 approach: Emissionsfaktoren = IPCC, Aktivitäten: CH-spezifisch

(Tierkategorien, NH3-Emissionen, Anteil Haltungssysteme, fracleach,)

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Treibhausgasbilanzen

CH4-Emissionen Tierhaltung

Methane emissions agriculture: Enteric fermentation EF+Manure management MM:

EF: Emission factor:

(Activity: animal number)

Ym: methane conversion rate

MM: Emission factor:

(Activity: animal number)

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Treibhausgasbilanzen

CH4-Emissionen Tierhaltung Schweiz

slide40

Treibhausgasbilanzen

Nettoeffekt Mineralboden ( g CO2-Äquiv. m-2 a-1; Robertson et al., 20002)

(1) Positive = emission (2) 1 g CO2 m-2 = 10 kg CO2 ha-1

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Treibhausgasbilanzen

Gesamtemissionen CH (links) und Anteile der Sektoren im Jahr 2000 (rechts)

(BUWAL Treibhausgasinventar: http://www.umwelt-schweiz.ch/

Landwirtschaft:

53% CH4

47% N2O

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Treibhausgasbilanzen Landwirtschaft (BUWAL Treibhausgasinventar)

Time-course GHG emissions agriculture

-10%

slide43

Treibhausgasbilanzen

2.86 2.59 0

Anteile CH4, N2O, und CO2 an landwirtschaftlichen

Treibhausgasemissionen/LULUCF (BUWAL, 2000)

?

 Ausgeglichene Flüsse beim Bodenkohlenstoff?

slide44

Teil 3: Nationale Ebene: Bodenkohlenstoff

Treibhausgasbilanzen Bodenkohlenstoff Schweiz

Organische Böden

Mineralische Böden

1. Mineralböden: 0-100 cm; Moore: 0-200 cm

Kohlenstoffgehalte in landwirtschaftlichen Böden

der Schweiz je Hektar1

(Leifeld et al., 2003)

slide45

Teil 3: Nationale Ebene: Bodenkohlenstoff

Treibhausgasbilanzen Bodenkohlenstoff Schweiz

Vergangene und prognostizierte C-Verluste kultivierter Moore

Leifeld et al., 2003

 Deutliche C-Verluste durch Moorkultivierung seit 1885

slide46

Teil 3: Nationale Ebene: C-Sequestrierung

Treibhausgasbilanzen

Sequestrierungspotentiale Schweiz I

Übersicht über mögliche Senkenaktivitäten

und Senkenpotentiale1 in der Schweiz

1: Aktivität 3+5

1: Einschliesslich vermeidbarer Emissionen

slide47

Teil 3: Nationale Ebene: C-Sequestrierung

Treibhausgasbilanzen Sequestrierungspotentiale Schweiz II

Das C-Senkenpotential im Vergleich zu anderen

Treibhausgasflüssen in der Schweiz

1. Mittel der Periode 1990 – 1999 (Schweizerisches Treibhausgasinventar)

 C-Senken Landwirtschaft können max. 21% der landwirtschaftlichen CH4 und N2O-Emissionen kompensieren

slide48

Zusammenfassung Treibhausgasbilanzen

  • IPCC-Methodik: Aktivität * Emissionsfaktor, Tier 1-3
  • Bei Methan und Lachgas ist die Landwirtschaft bedeutendste Emittent in der Schweiz (entspricht dem globalen Bild)
  • Methanemissionen wurden seit 1990 v.a. durch eine Verkleinerung des Kuhbestandes verringert; N2O durch Verringerung Mineral-N und Futtermittelimporte
  • Reduktionsstrategien: Weiter verringerte Tierzahlen und Abnahme N-Einsatz Landwirtschaft ohne Kompensation durch Importe!!
  • Landwirtschaftliche CO2-Flüsse sind bedeutend; CO2 Emissionen aus Mooren in Treibhausgasinventare integriert, Mineralböden nicht
  • Das „Senkenpotential“ kann weder die CH4 und N2O-Emissionen der Landwirtschaft noch die historischen C-Verluste kompensieren!
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Mögliche Themen Diplomarbeiten

  • Torfabbau durch Moorkultivierung: Indikatoren und Einflussgrössen
  • Bodenkohlenstoffvorräte und Umsetzungsraten entlang eines topographischen Gradienten (ev. Oberwallis)

Interessierte kontaktieren mich unter:

Jens Leifeld, AGROSCOPE FAL Reckenholz, Reckenholzstrasse 191,

8046 Zürich, Tel. 01 3777 510, e-mail jens.leifeld@fal.admin.ch