Klimaatsverandering Prof. Stefaan De Neve

Situering: Klimaatsverandering als onderdeel van Global change Huidige invulling definitie “Global change” op FBW: interface tussen alle aspecten van huidige veranderingen in het milieu en biologische systemen “Global change” Toenemende concentraties broeikasgassen klimaatswijzigingen eutrofiëring Klimaatsverandering maakt deel uit van het veel ruimere begrip global change. Global change, zoals momenteel ingevuld op onze faculteit, zou kunnen gedefinieerd worden als de interface tussen alle aspecten van huidige veranderingen in het milieu en biologische systemen. Wanneer we spreken over Global change hebben we het dus over fenomenen als verlies van biodiversiteit, veranderingen in landgebruik, eutrofiëring, toenemende concentraties broeikasgassen, en dus ook klimaatsverandering, de focus van dit thema. veranderingen in landgebruik verlies aan biodiversiteit Global change ≈ werk van de hele faculteit Hier: focus op klimaatsverandering en broeikasgassen = climate change

Ik vermoed dat nagenoeg iedereen van jullie genoegzaam bekend is met de klimaatsproblematiek, maar om de onmiskenbare anthropogene invloed nog eens te illustreren toon ik jullie deze figuur, overgenomen uit het gerenommeerde tijdschrift Ecology. De figuur geeft de evolutie weer over de laatste 150 jaar, van de menselijke bevolkingsgroei in blauw, de koolstof emissies in volle zwarte lijn, de productie van anthropogene reactieve N verbindingen, de atmosferische CO2 concentraties en de temperatuur. Het is duidelijk dat deze veranderingen heel sterk aan elkaar gelinkt zijn, wat duidelijk de belangrijke rol van de mens in global change en in klimaatswijzigingen laat uitschijnen. Verband tussen globale temperatuurstijging, CO2 concentraties in de atmosfeer, antropogene CO2 emissies, antropogene reactieve N, en bevolkingsaangroei

Maatschappelijke impact Kimaatswijziging is een problematiek met een bij uitstek zeer ingrijpende maatschappelijke impact, waar ik eerst iets dieper wil op ingaan. Over klimaatsverandering wordt veel gepraat, maar als het op actie aankomt blijven de inspanningen nog steeds minimaal, met alle mogelijke dramatische gevolgen.

Maatschappelijke bewustwording dringt slechts langzaam door: gevolgen niet direct voelbaar/zichtbaar/niet eenduidig Mensen denken eerst aan meest voor de hand liggende (en voor hen voordeligste) gevolgen: Warmer ... ... maar zien minder risico’s als: Overstromingen/stormen Drinkwatervoorziening Globale voedselzekerheid Ziektes (malaria, plantenparasieten, ...) Klimaatsvluchtelingen Vlaanderen anno 2050? We kunnen ons de vraag stelln waarom de ware omvang van de problematiek van klimaatswijziging zo langzaam doordringt in de publieke opinie? Wel, de gevolgen van klimaatsverandering laten zich in onze streken nog maar langzaam voelen, zijn vaak niet eenduidig en er zit veel variatie op, denk maar aan de afgelopen winter. Bovendien zijn er veel mensen die vooral aan volgens hen postieve gevolgen van klimaatsverandering denken: laat het hier maar een paar graden warmer worden, als het hier wordt zoals in het Zuiden van Frankrijk vind ik dit helemaal niet erg. Maar mensen denken veel minder aan de enorme risico’s en bedreigingen, zoals bv. overstromingen/stormen, toenemende problemen met (drink)watervoorziening, vooral in ontwikkelingslanden, problemen rond globale voedselzekerheid (denk maar aan de voorbije voedselcrisis, waarbij er een duidelijke link werd gelegd met klimaatsproblematiek, o.a. het telen van bio-energiegewassen ipv. voedselgewassen), oprukken van ziekten en plagen, zowel pathogenen van mens, dier als plant, het probleem van klimaatsvluchtelingen, die zich vervoegen bij de politieke en economische vluchtelingenstromen. De aanpak van deze problemen zal nooit geziene maatschappelijke implicaties hebben, denken we maar aan drastische vermindering van ons energieverbruik, het anders omspringen met water, in het algemeen een totaal nieuw productie en consumptiepatroon. Maatschappelijke implicaties van mogelijke maatregelen zijn zeer ingrijpend: vermindering energieverbruik, omspringen met water, in het algemeen veranderen van levensstijl

Onderzoeksvragen Mitigatie én adaptatie Maatschappelijke impact? Ingenieursaanpak van de problemen, niet enkel inventarisatie Welke richting gaat klimaatsverandering uit: hoe te voorspellen/in te schatten, bv.: globale opwarming  lokale afkoeling (golfstroom) vernatting  verdroging/verwoestijning Waterbeheer/watervoorziening Verschuivingen in landbouwzones/teeltgebieden: water, ziekte/plaagdruk, temperatuur Biodiversiteit Rol/bijdrage van ecosystemen in mitigatie (C-opslag) Het onderzoek ivm. klimaatswijziging binnen de faculteit richt zich zowel naar mitigatie (hoe kan klimaatsverandering afgestopt, gekeerd of vertraagd worden) als naar adaptatie, dwz. aanpassingen van de maatschappij aan klimaatsverandering. De naam van onze faculteit indachtig, gaat het hierbij niet om louter een inventarizatie van de problemen, maar ook en vooral om een ingenieursgerichte aanpak, waarbij modelleren, kwantificeren, voorspellen, en de zoektocht naar mogelijke oplossingen centraal staan. Belangrijke onderzoeksvragen zijn bv. Welke richting gaat klimaatsverandering uit, hoe kunnen we toekomstige evoluties inschatten en op die manier anticiperen? Hoe kunnen we het waterbeheer en de watervoorziening, ook en vooral in de landbouw optimaliseren? Wat zullen de gevolgen zijn van mogelijke verschuivingen in landbouwzones en teeltgebieden, als gevolg van veranderingen in watervoorziening, ziekte en plaagdruk, temperatuur, enz. Wat zijn de gevolgen voor biodiversiteit en welke rol vervult biodiversiteit als mogelijke buffer tegen klimaatswijzigingen? Wat is de potentiële bijdrage van terrestrische ecosystemen om klimaatsverandering te beheersen, via de studie van koolstofsequestratie en koolstofdynamiek

Een aantal voorbeelden van multidisciplinaire onderzoeksthema’s op de FBW In wat nu volgt zal ik voor elk van deze vragen een aantal actuele, vaak interdisciplinaire onderzoeksthema’s op de faculteit toelichten.

1. Welke richting gaat klimaatsverandering uit? Monitoren/modelleren van de actuele toestand Modelleren/voorspellen van de toekomstige evoluties Monitoren van vegetatie Fluxen van CO2 en water op plant- en ecosysteemniveau Begrijpen van plantprocessen Verandering in vegetatie door middel van teledetectie Ontwikkelen van change detection tools Fotosynthese en transpiratie op plantniveau Ten eerste, Voor het antwoord op de vraag: Welke richting gaat klimaatsverandering uit? loopt het onderzoek in twee richtingen. Enerzijds proberen we te monitoren en modelleren wat de actuele (of historische) toestand is, anderzijds proberen we op basis daarvan te simuleren en voorspellen wat de toekomstige evoluties kunnen zijn. De monitoring gebeurt op sterk uiteenlopende schalen en met tal van technologische hulpmiddelen, waarvan hier een aantal voorbeelden volgen. Zo wordt er monitoring gedaan van fluxen van CO2 en water op zowel het zeer kleine niveau van planten en organen van planten, tot het ecosysteemniveau aan de hand van gespecialiseerde meettorens. Dit moet onze fundamentele kennis van processen in de plant en uitwisseling tussen de plant en zijn omgeving verbeteren. Grootschalige veranderingen in bv. vegetatie kunnen worden bestudeerd met behulp van teledetectie. De bedoeling hiervan is om veranderingen in vegetaties snel en efficiënt te kunnen opvolgen, zoals hier in het voorbeeld in een bosreservaat in Kenya, hetgeen een absolute vereiste is voor het ontwikkelen van beleidsinstrumenten en voor een efficiënt beheer. Veranderingskaart van het Mount Kulal Forest (Kenya) CO2- en waterfluxen op ecosysteemniveau

Monitoren van hydrologische parameters Bodemvocht en overstromingen gebaseerd op radarteledetectie Ontwikkelen van karteringstools: kalibratie/validatie van modellen Bodemvochtkaart van een landbouwgebied te Demmin, Duitsland Overstroming van de alzette (Luxemburg) waargenomen door Envisat Evapotranspiratie gebaseerd op optische of microgolf links Meten van evapotranspiratie met zeer hoge tijdsresolutie op wereldschaal Het monitoren van hydrologische parameters is een essentiële component in de ontwikkeling, kalibratie en validatie van computermodellen voor waterbeheer. Een cruciale parameter hierin is het bodemvochtgehalte. Door gebruik te maken van radarteledetectiebeelden kan, na kalibratie, over uitgestrekte gebieden, een beeld worden verkregen van het vochtgehalte van de bodem zonder dat nog effectieve metingen nodig zijn, zoals in het voorbeeld voor een landbouwgebied in Duitsland. Evapotranspiratie is een andere cruciale parameter in hydrologische en klimatologische modellen, maar die zeer moeilijk effectief te meten is. Door gebruik te maken van scintillometers is het mogelijk om evapotranspiratie via afstandswaarnemingen in te schatten. Scintillometers zijn toestellen die op een plaats licht of een microgolf uitsturen en op een andere plaats, enkele km verder, het signaal opvangen. Ten gevolge van turbulenties in de lucht is het ontvangen signaal wat verstoord. Door studie van deze afwijkingen kan men de hoeveelheid verdamping tussen zender en ontvanger meten. Het GSM net zou hiervoor ook kunnen gebruikt worden zodat op hele hoge tijdsresolutie evapotranspiratie op wereldschaal gemeten kan worden. Het incorporeren van deze informatie in weersmodellen zal de betrouwbaarheid van de voorspellingen sterk doen toenemen. Scintillometers meten evapotranspiratie over grote afstand

Monitoren van broeikasgasconcentraties Monitoren van historische variaties om toekomstige veranderingen te voorspellen Analyse, validatie en kalibratie van biomerkers voor klimaatverandering bv. Historische variaties in neerslag via D/H metingen in n-alkanen in sedimenten N2O en CH4 zijn, naast CO2, de belangrijkste broeikasgassen, maar omwille van de enorme variabiliteit in de uitstoot zijn deze bijzonder moeilijk in te schatten. Op de faculteit worden heel wat inspanningen gedaan door verschillende onderzoeksgroepen om de bijdrage en evolutie van deze broeikasgassen aan kimaatsverandering beter te kwantificeren, en te onderzoeken wat de invloed is van allerlei vormen van landbeheer op die uitstoot. Kijken in het verleden kan ook zeer leerrijk zijn om de toekomst beter te voorspellen. Het blijkt nu dat historische variaties in neerslag kunnen ingeschat worden adhv het meten van isotopensignaturen in chemische bestanddelen van gewasdelen. Zo wordt de isotopische samenstelling van waterstof in (neerslag)water goed weerspiegeld in de isotopische samenstelling van waterstof in n-alkanen in de waslaag van bladeren. Door de waterstof isotopensignatuur van deze n-alkanen die bewaard zijn in sedimenten te bestuderen kan een beeld gevormd worden van historische trends in neerslag.

Modelleren/voorspellen van de toekomstige evoluties Hydrologische modellering Beheer van overstromingen onder wijzigende klimaatscenario’s Milieutechnische modellering Impact van wijzigende hydraulische belasting op waterzuiveringsinstallaties Broeikasgasmodellering Focus op impact van wijzigende biologische processen in de waterkringloop op de emissie van broeikasgassen Broeikasgasmodellering Ecofysiologische modellering Omgevings-T Verhoogde T Omgevings-CO2 (300 ppm) Verhoogde CO2 (700 ppm) Eco(fysio)logische modellering Op basis van modellen die ontwikkeld worden via de kennis uit het net voorgestelde onderzoek, wordt het mogelijk voorspellingen te doen van mogelijke toekomstige evoluties, en deze voorspellingen kunnen steeds verfijnd worden naarmate meer kennis van de huidige en historische situatie wordt verzameld. Voorbeelden van toepassingen hiervan zijn het beheer van overstromingen onder wijzigende klimaatscenario’s, Impact van wijzigende hydraulische belasting op waterzuiveringsinstallaties, impact van een wijzigend klimaat op plantprocessen, enz. Focus op impact van een wijzigend klimaat op plantprocessen

2. Waterbeheer/watervoorziening Risico-inschatting catastrofale neerslagevents: Neerslag – afvoer relatie: overstromingen Overstromingsgebieden Minimaliseren gevolgen: bodemerosie door water Een tweede onderzoeksvraag, nauw samenhangend met de eerste, is hoe het waterbeheer kan geoptimaliseerd worden onder een wijzigend klimaat. Belangrijk is het minimaliseren van de gevolgen van catastrofale neerslagevents. Zo wordt op de faculteit uitgebreid onderzoek gedaan naar de mechanismen van bodemerosie, en hoe bodemerosie kan tegengegaan worden. Hiervoor wordt gebruik gemaakt van allerlei apparatuur voor regenvalsimulatie, in de foto’s zien jullie bv. een grote regenvalsimulator voor beregeningen onder veldomstandigheden, en bovenaan een beeld van de unieke windtunnel op de faculteit, waar gecombineerde metingen van wind en watererosie mogelijk zijn.

Verminderde bodembewerking in semi-ariede gebieden “Water harvesting” infiltratiegreppels - Chili Verminderde bodembewerking in semi-ariede gebieden Vaak is het zaak het weinige water dat valt zo goed mogelijk te gebruiken. Het onderzoek naar technieken van “water harvesting” speelt hierop in, door na te gaan welke technische ingrepen in het landschap de infiltatie van water maximaliseren. Ook verminderde bodembewerking, de zogenaamde “reduced till” en “no till” blijkt vooral in drogere gebieden een zeer positieve impact te hebben op gewasopbrengsten, vooral als gevolg van een veel betere benuttiging van neerslagwater wanneer bodembewerkingen (grotendeels) achterwege blijven. Tenslotte zullen Verschuivingen in landbouwzones/teeltgebieden als gevolg van veranderingen in neerslag- en temperatuurspatronen steeds duidelijker worden. Screening voor meer droogte resistente gewassen zal hier wellicht een belangrijke rol spelen, en binnen de faculteit wordt onderzoek gedaan hoe die screening van droogte resistente gewassen versneld kan worden door metingen van koostof- en zuurstof isotopendiscriminatie in planten. Verschuivingen in landbouwzones/teeltgebieden: water, temperatuur: screening voor droogte resistente gewassen door bepalen van de WUE via 13C en 18O analyses)

3. Kwantificeren van het belang van biodiversiteit voor het functioneren van ecosystemen in een veranderende wereld Een volgende onderzoeksvraag is het belang van biodiversiteit voor het functioneren van ecosystemen bij een wijzigend klimaat. In het kader van dit onderzoek werd vorig jaar een proefbos van 8 ha aangeplant in Zedelgem, waarbij een aantal verschillende boomsoorten, zowel afzonderlijk als in verschillende combinaties werden geplant. De basishypothese van dit onderzoek is dat meer diverse, gemengde bossen ook bij een veranderend klimaat beter in staat zullen zijn om aan die veranderingen weerstand te bieden. Dit experiment is trouwens onderdeel van wat het grootste ecosysteemexperiment ter wereld wordt genoemd, en waarbij soortgelijke proefvlakken werden aangelegd in Frankrijk, Finland, Panama, Indonesië en China.

4. De rol van ecosystemen in klimaatsverandering en hun mogelijke bijdrage tot mitigatie: Koolstofopslag in terrestrische ecosystemen: Bescherming van organische koolstof in bodems: micro tot laboschaal CO2 vrijstelling labo schaal X-stralen nano CT Regionaal niveau: potentieel voor koolstofopslag in landbouwecosystemen: analyse van toekomstige scenario’s Als laatste voorbeeld wil ik het hebben over het onderzoek naar de rol van ecosystemen in klimaatsverandering, met name hun mogelijke bijdrage tot mitigatie via koolstofopslag. Een eerste fundamenteel deel van dit onderzoek is het beter begrijpen van de mechanismen die organische koolstof in de bodem beschermen tegen afbraak, en er dus voor zorgen dat de organische koolstof langer in de bodem blijft. Dit onderzoek start op micro of zelfs submicro niveau, waarbij bv. geprobeerd wordt om organische koolstof in de bodem te visualizeren via X-stralen computer tomografie. Resultaten hiervan worden dan geverifieerd door het uitvoeren van allerlei incubatie-experimenten op iets grotere schalen. Aan het andere eind van dit onderzoek worden computermodellen gebruikt die de dynamiek van koolstof in de bodem beschrijven, om op regionale schaal een inschatting te maken van het potentieel voor koolstofopslag onder verschillende beheersscenario’s, zoals in het onderstaande voorbeeld waar u resultaten ziet van lange termijn simulaties met het DNDC model voor koolstofopslag potentieel in Vlaanderen. Simulaties adhv DNDC model

Koolstofopslag in bosecosystemen en korte-omloop plantages Regionale inschatting N2O en CH4 emissies uit landbouwbodems Ook koolstofopslag in de verschillende ecosysteemcompartimenten (bovengrondse vegetatie, strooisellaag, bodem) in bosecosystemen en korte-omloop plantages wordt bestudeerd, o.a. via een korte-omloopplantage in Zwijnaarde. Het is ook belangrijk om te beseffen dat de studie van enkel koolstofopslag geen zin heeft indien niet tegelijk gekeken wordt naar de uitstoot van andere broeikasgassen, m.n. N2O en methaan. Dat zijn immers krachtige broeikasgassen, en er is een zeer sterke link tussen veranderingen in de koolstofcyclus en de uitstoot van deze gassen. Zelfs een kleine toename in N2O emissies als gevolg van een toename van koolstofopslag kan hierbij resulteren in een netto negatief resultaat en dus nefast zijn.

Pilootinstallatie biomassa pyrolyse aanwezig op de faculteit Potentieel van organisch-biologische afvalstoffen voor koolstofopslag en impact op nutriëntendynamiek Composten Landbouwindustrieën Tenslotte is er ook onderzoek naar de mogelijke bijdrage van specifieke types organisch materiaal aan koolstofopslag in bodems. Voorbeelden hiervan zijn onderzoeken naar gebruik van composten, met materiaal afkomstig van vooral huishoudens (GFT afval) en groenvoorziening (groencompost). Maar ook allerlei organisch biologische afvalstoffen uit de landbouwindustrieen kunnen hierin een rol spelen en worden onderzocht. Tenslotte wordt ook door verschillende vakgroepen van de faculteit onderzoek gedaan naar het potentieel van biochar voor koolstofopslag. Biochar wordt verkregen uit organisch materiaal door kortstondige verhitting in afwezigheid van zuurstof, waarbij zogenaamde zwarte koolstof wordt geproduceerd die extreem stabiel is en gedurende honderden of vele duizenden jaren bewaard kan blijven in de bodem. Biochar Pilootinstallatie biomassa pyrolyse aanwezig op de faculteit

Conclusies analyse en monitoring bestaande situatie begrijpen processen en voorspelling via modellering – simulaties alle schalen van micro tot regionaal alle ecosysteemcompartimenten aanreiken van monitoring-, rapportering- en voorspellingstools voor overheden samenwerking met landbouw- en bedrijfswereld voor uitwerken specifieke oplossingen Als conclusie voor het onderzoek rond klimaatsverandering kunnen we stellen dat dit onderzoek ook zeer multidisciplinair gebeurd. Het gaat om het begrijpen en modelleren van de bestaande situaties, om zo een betere voorspelling te kunnen doen van mogelijke toekomstige evoluties. Het onderzoek is zowel zeer fundamenteel als meer toegepast, waarbij alle ruimtelijke schalen van micro tot globaal worden bestreken, en ook alle ecosysteemcompartimenten (water, lucht, bodem, vegetatie). Wat kunnen we doen met de resultaten van dit onderzoek. Wel, in eerste instantie levert dit monitoring-, rapportering- en voorspellingstools voor overheden, zowel lokaal, regionaal, nationaal als internationaal, waardoor bv. geholpen wordt om aan allerlei rapporteringsverplichtingen te voldoen. Daarnaast worden specifieke oplossingen uitgewerkt, bv. rond gebruik van organisch materiaal, met de landbouwwereld en het bedrijfsleven.

UNEP OVAM