Quantifizierung der Auswirkungen auf lokale Ökosystemtleistungen
Menschen sind auf Ökosysteme und die von ihnen erbrachten Leistungen, z.B. die Bereitstellung von Wasser und Nahrung oder regionale Klimaregulierung, angewiesen. Die Vorteile, die Menschen aus Ökosystemen beziehen, werden als Ökosystemleistungen bezeichnet. Insbesondere in den letzten 50 Jahren hat der Mensch Ökosysteme stark verändert, um den wachsenden Bedarf an Nahrung, Wasser und Energie zu decken.
Das Soil and Water Assessment Tool (SWAT) ist ein Modell, mit dem die Qualität und Quantität von Oberflächenwasser und Grundwasser auf der Ebene von Wassereinzugsgebieten simuliert werden kann. Damit können Umweltveränderungen abgeschätzt werden, die durch die Wassernutzung, verschiedene Landnutzungspraktiken und den Klimawandel entstehen. Die Modellergebnisse können dann dazu genutzt werden, die enstehenden Auswirkungen auf Ökosystemleistungen zu quantifizieren, also z.B. inwiefern sich die Bereitstellung von Wasser für kommunale, industrielle und landwirtschaftliche Zwecke verändert. Im MedWater-Projekt wird ein öko-hydrologisches SWAT-Modell für den Western Mountain Aquifer (WMA) erstellt, das auch die besonderen Karsteigenschaften des Aquifers berücksichtigt.
Das Modell basiert auf einem digitalen Höhenmodell (Abbildung 1), Bodentyp- und Landnutzungskarten (Abbildung 2) und Klimadaten (Niederschlag, Temperatur, Windgeschwindigkeit, relative Luftfeuchtigkeit und Sonneneinstrahlung). Das Einzugsgebiet des WMA wurde in 112 Teilgebiete unterteilt. Dabei wurde definiert, in welchen Gebieten die Neubildung von Grundwasser durch Niederschläge stattfindet. Jedes Teilgebiet wurde in „hydrological reponse units“ (HRU) unterteilt, also Bausteine, wie sie im SWAT-Modell verwendet werden. Jede HRU weist eine einzigartige Kombination von Informationen zu Bodentypen, Landnutzung und Terrain auf. Die wichtigsten Modellparameter wurden so modifiziert, dass sie die Karsteigenschaften des Aquifers widerspiegeln.
Ein erstes Modell wurde für den Zeitraum 1992 bis 2012 erstellt. Dieses Modell muss allerdings noch kalibriert werden – dafür werden z.B. Daten zur Evapotranspirationund Bodenfeuchtigkeit verwendet. Ohne Kalibrierung kann das Modell aktuell noch nicht für eine Bewertung von Ökosystemleistungen genutzt werden. Zur Veranschaulichung zeigt Abbildung 3 jedoch die Modellergebnisse für den Wasserhaushalt des WMA, einschließlich der jährlich durchschnittlichen Niederschläge, Evapotranspiration und Versickerung.
Bei Änderung der Eingabedaten (z.B. zur Wassernutzung), generiert das SWAT-Modell verschiedene Outputs (z.B. wie sich die Grundwasserneubildung, Biomasseproduktion oder Bodenerosion verändern). Unterschiedliche Ergebnisse verdeutlichen die Auswirkungen auf Ökosystemleistungen durch Änderungen in der Wassernutzung (ebenfalls berücksichtigt wird dabei die Verwendung von entsalztem Meerwasser und recycltem Abwasser). Als weitere Inputs werden Klimawandel- und Landnutzungsdaten verwendet.
Virtuelle Wasserimporte nach Israel und Auswirkungen auf globale Ökosystemleistungen
Aufgrund der begrenzten Verfügbarkeit von Wasser und landwirtschaftlichen Flächen ist Israel auf Nahrungsmittelimporte angewiesen. Das Wasser, das im Exportland für den Anbau dieser Nahrungsmittel genutzt wird, wird als „virtuelles Wasser“ bezeichnet. Israel ist ein Importland von virtuellem Wasser und ist bei den Grundnahrungsmitteln Weizen, Mais und Soja fast vollständig vom internationalen Handel abhängig. Der Import von virtuellem Wasser wird in der Regel von einem „Export“ nachteiliger Auswirkungen auf Ökosysteme begleitet (z.B. Entwaldung, Verlust von Lebensräumen, Bodenerosion und Nährstoffbelastung).
Im MedWater-Projekt koppeln wir mehrere regionale SWAT-Modelle, um den „Fluss“ von virtuellem Wasser und dessen Auswirkungen auf Ökosystemleistungen zu untersuchen. In Zusammenarbeit mit unseren Partnern an der Ben-Gurion University wurden repräsentative Einzugsgebiete in den USA, Brasilien und der Ukraine ausgewählt. Wir konzentrieren uns hierbei auf Importgüter, die für die Ernährungssicherheit in Israel von großer Bedeutung sind und die ein Großteil der Importe ausmachen (gemessen am Gesamtgewicht). Daher wurden exportierende Einzugsgebiete ausgewählt, die eine landwirtschaftliche Produktion widerspiegeln, die typisch für den Export nach Israel ist. Bei der Auswahl haben wir allerdings auch „Hotspots“ von ökologischen Auswirkungen durch landwirtschaftliche Produktion berücksichtigt (z.B. Gebiete mit hohen Entwaldungsraten in Brasilien). Die identifizierten Einzugsgebiete unterscheiden sich erheblich in Bezug auf Umweltbedingungen wie Bodentypen, Niederschläge, Temperatur und Auswirkungen auf Lebensräume und Biodiversität.
Zwei SWAT-Modelle für die USA befinden sich derzeit in der Fertigstellung, hier konzentrieren wir uns auf Einzugsgebiete in Kansas und Iowa. Die Hauptanbauprodukte in Kansas sind Weizen und Mais, in Iowa sind es Soja und Mais. Die Modelle werden derzeit kalibriert.