Institut für Landwirtschaftliche Betriebslehre Universität Hohenheim Agrarinformatik und Unternehmensführung Prof. Dr. R. Doluschitz Regionale Darstellung der Umweltbelastungen durch klimarelevante Gase in der Agrarlandschaft Kraichgau – Das Boden-Landnutzungs-Informations-System für Treibhausgasemissionen Dissertation zur Erlangung des Grades eines Doktors der Agrarwissenschaften der Fakultät Agrarwissenschaften von Andrea Rohierse aus Böblingen 2003 Die vorliegende Arbeit wurde am 21. August 2003 von der Fakultät Agrarwissenschaften der Universität Hohenheim als „Dissertation zur Erlangung des Grades eines Doktors der Agrarwissenschaften“ angenommen. Tag der mündlichen Prüfung: 8. Oktober 2003 Dekan: Prof. Dr. S. Dabbert 1. Berichterstatter: Prof. Dr. R. Doluschitz 2. Berichterstatter: Prof. Dr. R. Böcker Diese Arbeit wurde gefördert von der Deutschen Forschungsgemeinschaft im Rahmen des Graduiertenkollegs (768) „Strategien zur Vermeidung der Emission klimarelevanter Gase und umwelttoxischer Stoffe aus Landwirtschaft und Landschaftsnutzung“ und der Landesgraduiertenförderung Baden-Württemberg Inhaltsverzeichnis I Inhaltsverzeichnis Seite 1 Einleitung..................................................................................................................................... 1 1.1 Problematik............................................................................................................................ 1 1.2 Ziele....................................................................................................................................... 4 1.3 Vorgehensweise.................................................................................................................... 5 2 Grundlagen................................................................................................................................... 10 2.1 Der Naturraum Kraichgau...................................................................................................... 10 2.1.1 Der Kraichgau als Untersuchungsgebiet.................................................................... 11 2.1.2 Klima........................................................................................................................... 11 2.1.3 Geologie und Böden................................................................................................... 12 2.1.4 Vegetation................................................................................................................... 16 2.1.5 Siedlungsgeschichte und Landschaftswandel............................................................ 16 2.1.6 Landschaftsstruktur..................................................................................................... 17 2.1.7 Agrarstruktur............................................................................................................... 17 2.2 Klimarelevante Gase und Landwirtschaft.............................................................................. 20 2.2.1 Ein kurzer Blick zurück - Die Entstehung der internationalen Klimapolitik.................. 20 2.2.2 Klimawandel................................................................................................................ 22 2.2.2.1 Der natürliche und anthropogene Treibhauseffekt........................................ 22 2.2.2.2 Das Treibhauspotential.................................................................................. 23 2.2.2.3 Treibhausgaskonzentrationen in der Atmosphäre in Vergangenheit und Gegenwart................................................................................................................. 24 2.2.3 Die Genese klimarelevanter Gase.............................................................................. 26 2.2.3.1 Distickstoffoxid (Lachgas, N2O)……………………………………….………… 28 2.2.3.2 Methan (CH4)……………………………………….…………………………….. 36 2.2.3.3 Kohlendioxid (CO2)........................................................................................ 40 2.3 Grundlagen der Geoinformationssysteme (GIS), des Global Positioning Systems (GPS) und der Fernerkundung............................................................................................................... 50 2.3.1 Geoinformationssysteme (GIS)……………………………………………..…..…….….. 50 2.3.2 Global Positioning System (GPS).………………………………………...………..……. 56 2.3.2.1 Das Prinzip der Positionsmessung................................................................ 57 2.3.2.2 Differenzial Global Positioning System (DGPS)..………..……………………. 58 2.3.3 Fernerkundung (Remote Sensing).............................................................................. 58 2.3.3.1 Physikalische Grundlagen der Fernerkundung.............................................. 60 2.3.3.2 Bildverarbeitung............................................................................................. 66 2.3.3.2.1 Geometrische Transformation........................................................ 67 2.3.3.2.2 Radiometrische Verbesserungen................................................... 68 2.3.3.2.3 Bildverbesserungen....................................................................... 68 2.3.3.2.4 Multitemporale Bildverarbeitung..................................................... 70 2.3.3.2.5 Multispektrale Klassifizierung......................................................... 71 2.3.3.3 Klassifizierungsverfahren............................................................................... 71 2.3.3.3.1 Unüberwachte Klassifizierung und Clusteranalyse........................ 71 2.3.3.3.2 Überwachte Klassifizierung............................................................ 71 2.3.3.4 Evaluierung.................................................................................................... 75 II Inhaltsverzeichnis 2.4 Definitionen einer nachhaltigen Landbewirtschaftung........................................................... 75 2.4.1 Bundesnaturschutzgesetz........................................................................................... 79 2.4.2 Bundesbodenschutzgesetz......................................................................................... 80 2.4.3 Düngeverordnung....................................................................................................... 81 3 Daten und Methoden................................................................................................................... 83 3.1 Modelle zur Ermittlung von Treibhausgasemissionen........................................................... 83 3.1.1 Bestehende Modelle................................................................................................... 83 3.1.2 Entwickelte Modelle.................................................................................................... 88 3.2 Der Aufbau des Referenzsystems......................................................................................... 89 3.2.1 Hardwarekomponenten............................................................................................... 91 3.2.2 Die verwendete Software............................................................................................ 92 3.2.3 Digitale Datenquellen.................................................................................................. 93 3.2.3.1 ATKIS - Amtliches Topographisch-Kartographisches Informationssystem.... 94 3.2.3.2 RIPS-Pool der Landesanstalt für Umweltschutz (LfU)................................... 98 3.2.3.2.1 Digitale Biotopkartierung nach § 24a in Baden-Württemberg........ 98 3.2.3.2.2 Landschaftsschutzgebiete (LSG), Naturschutzgebiete (NSG), Wasserschutzgebiete (WSG) des Landes Baden-Württemberg................... 99 3.2.3.2.3 Digitale administrative Grenzen..................................................... 104 3.2.3.3 Digitales Höhenmodell (DHM)....................................................................... 104 3.2.3.4 Digitale Bodenkarten...................................................................................... 107 3.2.3.5 Satellitenbilder............................................................................................... 110 3.2.3.6 Gemeindestatistik von Baden-Württemberg.................................................. 114 3.2.3.7 Nitratinformationsdienst (NID)........................................................................ 115 3.2.3.8 Einzelbetriebliche Befragungen im Kraichgau............................................... 116 3.2.4 Der Aufbau der Geo-Datenbasis................................................................................. 118 3.2.4.1 Die Generierung der Bodenfeuchtepotentialkarte.......................................... 118 3.2.4.2 Die Satellitenbildklassifikation........................................................................ 122 3.2.4.2.1 Die Durchführung der DGPS-Messungen...................................... 122 3.2.4.2.2 Die verwendeten Satellitenbilder.................................................... 123 3.2.4.2.3 Geometrische Transformation........................................................ 124 3.2.4.2.4 Die überwachte Satellitenbildklassifikation.................................... 125 3.2.4.2.5 Die multitemporale Satellitenbildauswertung 2000........................ 125 3.2.4.3 Die Generierung der Landnutzungskarten durch kartografisches Modellieren................................................................................................................ 125 3.2.4.3.1 Die Landnutzungskarte 2000........................................................