Klima und LandnutzungKlima und Landnutzung
Uwe A. SchneiderUwe A. SchneiderForschungsstelle Nachhaltige UmweltentwicklungForschungsstelle Nachhaltige Umweltentwicklung
KlimaCampus, Universität HamburgKlimaCampus, Universität Hamburg
GliederungGliederung
Wechselwirkungen zwischen Klima und Wechselwirkungen zwischen Klima und LandnutzungLandnutzung
Strategien zur Emissionsminderung von Strategien zur Emissionsminderung von Treibhausgasen durch LandnutzungTreibhausgasen durch Landnutzung
Methodik für integrierte ökonomische Methodik für integrierte ökonomische AnalyseAnalyse
Einsparpotenziale von TreibhausgasenEinsparpotenziale von Treibhausgasen
Landnutzung
Landnutzung
Gesellschaft
Klima (Umwelt)
Klima Klima ►► Landnutzung Landnutzung
Pflanzliche ProduktionspotenzialePflanzliche ProduktionspotenzialeMaximalertrag (Licht, Temperatur, COMaximalertrag (Licht, Temperatur, CO22))WasserangebotWasserangebotSchadorganismenSchadorganismen
BodenqualitätBodenqualitätErosionErosionHumusgehaltHumusgehaltNährstoffgehaltNährstoffgehalt
LandnutzungLandnutzung ►► KlimaKlima
TreibhausgasemissionenTreibhausgasemissionenAbholzung, BiomasseverbrennungAbholzung, BiomasseverbrennungTierhaltung, Maschinen, Agrarchemie, TransportTierhaltung, Maschinen, Agrarchemie, Transport
TreibhausgassenkenTreibhausgassenkenBodenkohlenstoff und lebende BiomasseBodenkohlenstoff und lebende Biomasse
TreibhausgasentlastungenTreibhausgasentlastungenBiokraftstoffe und BiomaterialienBiokraftstoffe und Biomaterialien
WasserverdunstungWasserverdunstungLichtreflexionLichtreflexion
Gesellschaft Gesellschaft ►► Landnutzung Landnutzung
Nachfrage (Märkte & Politik) nachNachfrage (Märkte & Politik) nachHochwertigen Nahrungsmitteln (ganzjährig)Hochwertigen Nahrungsmitteln (ganzjährig)Erneuerbaren Energien und Erneuerbaren Energien und
IndustrierohstoffenIndustrierohstoffenUmweltschonender Produktion (Wasser, Umweltschonender Produktion (Wasser,
Boden, Luft, Klima, Tierschutz, Artenschutz)Boden, Luft, Klima, Tierschutz, Artenschutz)Land-, Wasser-, und EnergieeffizienzLand-, Wasser-, und EnergieeffizienzBewahrung von Kultur- und Bewahrung von Kultur- und
Naturlandschaften, Ländliche EntwicklungNaturlandschaften, Ländliche Entwicklung
Gesellschaft Gesellschaft ►► Landnutzung Landnutzung
Klimaschutz eines von vielen Interessen Klimaschutz eines von vielen Interessen und Ansprüchenund Ansprüchen
SynergienSynergien
KonflikteKonflikte
Begrenztheit der Ressourcen (Land)
Klimawandel Klimawandel ►► Landnutzung Landnutzung
Änderung der Produktionskosten Änderung der Produktionskosten (Angebot)(Angebot)
Änderung der Marktpreise (Nachfrage)Änderung der Marktpreise (Nachfrage)Änderung der politischen Instrumente Änderung der politischen Instrumente
(Subventionen, Steuern, Verbote, etc.)(Subventionen, Steuern, Verbote, etc.)
AnpassungAnpassung
Warum Landnutzungsstrategien Warum Landnutzungsstrategien für Treibhausgasminderung?für Treibhausgasminderung?
Geringe KostenGeringe Kosten
Win-Win StrategienWin-Win Strategien
ZeitgewinnungZeitgewinnung
WedgesWedges
Landnutzungsstrategien zur Minderung Landnutzungsstrategien zur Minderung der Treibhausgasemissionender Treibhausgasemissionen
a)a) Reduzierung des fossilen Reduzierung des fossilen Energieverbrauchs (Gesellschaft)Energieverbrauchs (Gesellschaft)
• Biomasse für Wärme und ElektrizitätBiomasse für Wärme und Elektrizität
• Biokraftstoffe (Ethanol, Biodiesel, …)Biokraftstoffe (Ethanol, Biodiesel, …)
• Biomaterialien (Öle, Biopolymere, …Biomaterialien (Öle, Biopolymere, …))
Landnutzungsstrategien zur Minderung Landnutzungsstrategien zur Minderung der Treibhausgasemissionender Treibhausgasemissionen
b)b) Reduzierung des fossilen Reduzierung des fossilen Energieverbrauchs (Landnutzung)Energieverbrauchs (Landnutzung)
• Verbesserung der Input-Output VerhältnisseVerbesserung der Input-Output Verhältnisse• Standortgerechte ProduktionStandortgerechte Produktion• PräzisionslandwirtschaftPräzisionslandwirtschaft
Landnutzungsstrategien zur Minderung Landnutzungsstrategien zur Minderung der Treibhausgasemissionender Treibhausgasemissionen
c)c) BodenkohlenstoffspeicherungBodenkohlenstoffspeicherung• Zwischenfruchtanbau Zwischenfruchtanbau • Pfluglose BodenbearbeitungPfluglose Bodenbearbeitung• ÖdlandrestaurierungÖdlandrestaurierung• Anhebung des Wasserspiegels, Anhebung des Wasserspiegels,
Wiedervernässung von MoorenWiedervernässung von Mooren• Terra Preta (Holzkohle, Dung, Kompost)Terra Preta (Holzkohle, Dung, Kompost)
Landnutzungsstrategien zur Minderung Landnutzungsstrategien zur Minderung der Treibhausgasemissionender Treibhausgasemissionen
d)d) Verringerung von Methan- und Verringerung von Methan- und LachgasemissionenLachgasemissionen
• Alternative Düngungssysteme (Einarbeitung, Alternative Düngungssysteme (Einarbeitung, Menge, Typ, Inhibitoren)Menge, Typ, Inhibitoren)
• Fütterungsumstellung von WiederkäuernFütterungsumstellung von Wiederkäuern• Stalldung- und Güllebehandlung (Abdeckung, Stalldung- und Güllebehandlung (Abdeckung,
Vergasung)Vergasung)• ReismanagementReismanagement
Landnutzungsstrategien zur Minderung Landnutzungsstrategien zur Minderung der Treibhausgasemissionender Treibhausgasemissionen
e)e) Kohlenstoffspeicherung in BiomasseKohlenstoffspeicherung in Biomasse• Verhinderung der AbholzungVerhinderung der Abholzung• Aufforstung Aufforstung • DurchforstungDurchforstung
f)f) Technischer FortschrittTechnischer Fortschritt• anwendbar auf alle Landnutzungsstrategienanwendbar auf alle Landnutzungsstrategien
Landnutzungsstrategien zur Minderung Landnutzungsstrategien zur Minderung der Treibhausgasemissionender Treibhausgasemissionen
g)g) Veränderung der Nachfrage und der Veränderung der Nachfrage und der KonsumentenpräferenzenKonsumentenpräferenzen
• Weniger FleischWeniger Fleisch• Mehr saisonale ProdukteMehr saisonale Produkte• Mehr lokale ProdukteMehr lokale Produkte• Weniger VerarbeitungWeniger Verarbeitung
Strategien zur Strategien zur EmissionsvermeidungEmissionsvermeidung
Heterogen (Ressourcen, Technologien, Strategien)Heterogen (Ressourcen, Technologien, Strategien)
Komplex (Abhängigkeiten durch Begrenztheit von Komplex (Abhängigkeiten durch Begrenztheit von Land – keine einfache Addierung, Externe Effekte)Land – keine einfache Addierung, Externe Effekte)
Dynamisch (C-Sättigung, gesellschaftliche Dynamisch (C-Sättigung, gesellschaftliche Entwicklung)Entwicklung)
Globale Wechselwirkungen (Handel, Globale Wechselwirkungen (Handel, Emissionslecks, Klimawirkungen)Emissionslecks, Klimawirkungen)
Potentiale der Potentiale der EmissionsvermeidungEmissionsvermeidung
Wichtig für politische Verhandlungen und Wichtig für politische Verhandlungen und ZielsetzungenZielsetzungen
Abschätzung erfordert neutrale, integrierte, und Abschätzung erfordert neutrale, integrierte, und interdisziplinäre Analyse sonst werden die interdisziplinäre Analyse sonst werden die Lösungen von Heute das Problem von MorgenLösungen von Heute das Problem von Morgen
Potentiale der Potentiale der EmissionsverminderungEmissionsverminderung
Basieren auf Basieren auf Kosten-Nutzen-Kosten-Nutzen-
AnalyseAnalyseErlöse Erlöse ≥ ≥ KostenKosten
Ökonomisch Technisch
Basieren aufBasieren aufVerfügbarkeit von Verfügbarkeit von
RessourcenRessourcenWirkungsgrad der Wirkungsgrad der
TechnologienTechnologien
Forst- und Agrarsektor- Forst- und Agrarsektor-
Optimierungsmodell (FASOM)Optimierungsmodell (FASOM)
US (1993-) … Texas A&M UniversitätUS (1993-) … Texas A&M Universität
EU (2004-) … Universität HamburgEU (2004-) … Universität Hamburg
Global (2006-) … Internationales Institute Global (2006-) … Internationales Institute für angewandte für angewandte
SystemanalyseSystemanalyse
Forst- und Agrarsektor- Forst- und Agrarsektor- Optimierungsmodell (FASOM)Optimierungsmodell (FASOM)
Partielles Gleichgewichtsmodell, Partielles Gleichgewichtsmodell, Bottom-Bottom-UpUp Design Design
Maximiert Summe der Konsumenten und Maximiert Summe der Konsumenten und ProduzentenrentenProduzentenrenten
Restriktionen durch Technologien, Restriktionen durch Technologien, Ressourceverfügbarkeit, PolitikenRessourceverfügbarkeit, Politiken
Räumlich gegliedert, DynamischRäumlich gegliedert, Dynamisch Integriert und internalisiert externe EffekteIntegriert und internalisiert externe EffekteMathematisch programmiert in GAMSMathematisch programmiert in GAMS
Mathematische ProgrammierungMathematische Programmierung
j jj
ij j ij
j
c X
. . a X b for all i
X 0 for all j
Max
s t
Bis zu 6 Millionen Variablen, 1 Million Gleichungen
MarktgleichgewichtMarktgleichgewicht
Nachfrage
Angebot
Preis
Menge
P*
Q*
ProduzentenRente
KonsumentenRente
MarktgleichgewichtMarktgleichgewicht
Mar
ktgl
eich
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Wal
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arke
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dukt
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hfra
ge
KR
P
R
FASOM StrukturFASOM Struktur
Ressourcen Landnutzungs-
Technologien
Verarbeitungs- Technologien
Produkte Märkte
Inputs
Grenzen
Angebots- Funktionen
Grenzen
Nachfrage-Funktionen,Handel
Kapazitäts-grenzen
Einflüsse aufUmwelt
EUFASOM EUFASOM ModellsystemModellsystem
EUFASOM
Crop & Tree Simulation Models
Spatial Analysis Tools
Farm level & GIS Data Viable
Population Analysis
Systematic Wetland Conservation Planning
Engineering Equations
Other Economic Models
Climate Models
InterdisziplinaritätInterdisziplinarität
Räumliche Heterogenität Räumliche Heterogenität GeographieGeographie
KlimawirkungenKlimawirkungen NaturwissenschaftenNaturwissenschaften
Landnutzung Landnutzung Ökologie, Landwirtschafts-, Ökologie, Landwirtschafts-, und und ForstwirtschaftswissenschaftenForstwirtschaftswissenschaften
Technologien Technologien IngenieurwissenschaftenIngenieurwissenschaften
Globale Märkte Globale Märkte ÖkonomieÖkonomie
Politische Instrumente Politische Instrumente Rechts- und Rechts- und PolitikwissenschaftenPolitikwissenschaften
Altitude:1. < 300 m2. 300-600 m3. 600-1100 m4. >1100 m
Texture:1. Coarse2. Medium3. Medium-fine4. Fine 5. Very fine
Soil Depth:1. shallow2. medium3. deep
Stoniness:1. Low content2. Medium content3. High content
Slope Class:1. 0-3%2. 3-6%3. 6-10%4. 10-15%5. …
HeterogenitätHeterogenität
DE13
DE12
DE11
DE14
Wettbewerb
““The The production of biomass for energy purposes production of biomass for energy purposes may lead to competition with production of foodmay lead to competition with production of food,,building materials, energy supply and medicines. building materials, energy supply and medicines. This involves competition for productionThis involves competition for productionfactors such as raw materials, land, water and factors such as raw materials, land, water and labor. This labor. This must be avoided wherever possiblemust be avoided wherever possible..The translation of this theme into criteria and The translation of this theme into criteria and indicators is indicators is uncharted territoryuncharted territory, so far it , so far it has nothas notbeen included in any of the existing certification been included in any of the existing certification systemssystems (Cramer Commission 2007).” (Cramer Commission 2007).”
Quelle: Eingereichtes Manuskript für Artikel inQuelle: Eingereichtes Manuskript für Artikel in Forest Policy and EconomicsForest Policy and Economics (May 2009) (May 2009)
Einsparpotenziale von Einsparpotenziale von Treibhausgasen durch Treibhausgasen durch
LandnutzungsänderungLandnutzungsänderung
1 USFASOM Simulationen1 USFASOM Simulationen Schneider, U.A., McCarl, B.A., and Schmid, E. (2007). Agricultural sector Schneider, U.A., McCarl, B.A., and Schmid, E. (2007). Agricultural sector
analysis on greenhouse gas mitigation in US agriculture and forestry. analysis on greenhouse gas mitigation in US agriculture and forestry. Agricultural SystemsAgricultural Systems 94:128-140. 94:128-140.
Lee, H.C., U.A. Schneider, McCarl, B.A., and Chen, C.C. (2007). Leakage Lee, H.C., U.A. Schneider, McCarl, B.A., and Chen, C.C. (2007). Leakage and comparative advantage implications of agricultural participation in and comparative advantage implications of agricultural participation in greenhouse gas emission mitigation. greenhouse gas emission mitigation. Mitigation and Adaptation Strategies Mitigation and Adaptation Strategies for Global Changefor Global Change 12(4):471-494 12(4):471-494
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Schneider, U.A. and McCarl, B.A. (2003). Economic potential of biomass Schneider, U.A. and McCarl, B.A. (2003). Economic potential of biomass based fuels for greenhouse gas emission mitigation. based fuels for greenhouse gas emission mitigation. Environmental & Environmental & Resource EconomicsResource Economics 24(4):291-312. 24(4):291-312.
McCarl, B.A. and Schneider, U.A. (2001). Climate change - Greenhouse McCarl, B.A. and Schneider, U.A. (2001). Climate change - Greenhouse gas mitigation in US agriculture and forestry. gas mitigation in US agriculture and forestry. ScienceScience 294(5551):2481-2482 294(5551):2481-2482
VermeidungspotentialeVermeidungspotentiale
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
0 100 200 300 400 500 600 700 800
Koh
lens
toff
prei
s (U
SD
/tce
)
Treibhausgasminderung (mmtce)
TechnischesPotential
Wettbewerbs Potential
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
0 100 200 300 400 500 600 700
Treibhausgasminderung (mmtce)
EndogenePreiseKonstanteFlächen
KonstantePreise und Flächen
Endogene Preiseund Flächen
Konstante PreiseEndogeneFlächen
Koh
lens
toff
prei
s (U
SD
/tce
)
ProduktionsintensitätenProduktionsintensitäten
75
80
85
90
95
100
105
110
115
0 100 200 300 400 500
Inte
nsit
ät in
Pro
zent
Kohlenstoffpreis (USD/mtce)
Stickstoffdüngung
Pflugbearbeitung
Bewässerung
Landwirtschaftliche MärkteLandwirtschaftliche Märkte
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
220
0 50 100 150 200 250 300
Fis
her
ind
ex
Kohlenstoffpreis (USD/tce)
Nutzpflanzenpreise
Tierproduktpreise
Tierproduktion
PflanzenproduktionGetreide-Exporte
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
0 20 40 60 80 100
Mil
liar
den
US
D
Kohlenstoffpreis (USD/tce)
WohlfahrtseffekteWohlfahrtseffekte
Produzenten (Brutto)
Emissions-Zahlungen
Produzenten (Netto)
Konsumenten
Bioenergie EmissionsminderungBioenergie Emissionsminderung
0
100
200
300
400
500
0 50 100 150 200 250 300 350
Koh
lens
toff
prei
s ($
/tce
)
Emissionsreduzierung (mmtce)
Technisches Potential
Ökonomisches Potential
WettbewerbsPotential
Kohlenstoffsenke – Pfluglose BBKohlenstoffsenke – Pfluglose BB
0
100
200
300
400
500
0 20 40 60 80 100 120 140 160
Koh
lens
toff
prei
s ($
/tce
)
Bodenkohlenstoffspeicherung (mmtce)
Technisches Potential
Ökonomisches Potential
Wettbewerbs-Potential
VermeidungsstrategienVermeidungsstrategien
0
100
200
300
400
500
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
Koh
len
stof
fpre
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D/t
ce)
Emissionsminderung (mmtce)
CH4 N2O
PflugloseBearbeitung
Aufforstung
Bioenergie
Andere UmwelteinflüsseAndere Umwelteinflüsse
40
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100
0 50 100 150 200 250 300
Ver
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(%/H
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N-Grundwasser
N-Schichtwasser
Bodenerosion
P-Verluste
Kohlenstoffpreis (USD/tce)
Emissions-LecksEmissions-Lecks
90
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110
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0 20 40 60 80 100
Fis
her
In
dex
Kohlenstoff (USD/tce)
Annex I Länder
Alle Länder
Nettoexporte von Nahrungsmitteln aus Nicht-Annex I Ländern für Treibhausgaspolitiken in:
2 EUFASOM 2 EUFASOM SimulationenSimulationen Jantke, K. and U.A. Schneider (2009), Jantke, K. and U.A. Schneider (2009), Opportunity costs in Opportunity costs in
conservation planning – of the case of European wetland speciesconservation planning – of the case of European wetland species , , prepared for prepared for Conservation LettersConservation Letters
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Schneider U.A., J. Balkovič, S. De Cara, O. Franklin, S. Fritz, P. Schneider U.A., J. Balkovič, S. De Cara, O. Franklin, S. Fritz, P. HavlHavlíík, I. Huck, K. Jantke, A.M.I. Kallio, F. Kraxner, A. Moiseyev, M. k, I. Huck, K. Jantke, A.M.I. Kallio, F. Kraxner, A. Moiseyev, M. Obersteiner, C.I. Ramos, C. Schleupner, E. Schmid, D. Schwab, R. Obersteiner, C.I. Ramos, C. Schleupner, E. Schmid, D. Schwab, R. Skalský (2008), The European Forest and Agricultural Sector Skalský (2008), The European Forest and Agricultural Sector Optimization Model – EUFASOM, Optimization Model – EUFASOM, FNU-156FNU-156, Hamburg University , Hamburg University and Centre for Marine and Atmospheric Sciences, Hamburg. and Centre for Marine and Atmospheric Sciences, Hamburg.
2010 EU Bioenergie Ziele2010 EU Bioenergie Ziele
21% Elektrizität aus Biomasse21% Elektrizität aus Biomasse
≈ ≈ 610 Tausend GWh610 Tausend GWh
≈ ≈ 300 Millionen t Biomasse300 Millionen t Biomasse
5.75% Biokraftstoffe5.75% Biokraftstoffe
2010 EU Biodiversitätsziele2010 EU Biodiversitätsziele
2001: European Council committed to ‘2001: European Council committed to ‘halt the halt the decline of biodiversity by 2010decline of biodiversity by 2010’ in Europe ’ in Europe
2002: EU joined about 130 countries in 2002: EU joined about 130 countries in agreeing ‘agreeing ‘to significantly reduce the rate of to significantly reduce the rate of biodiversity loss by 2010biodiversity loss by 2010‘ worldwide‘ worldwide
ABERABER
Biodiversitätsverluste steigen immer noch Biodiversitätsverluste steigen immer noch Schutz oft ad hoc und unkoordiniertSchutz oft ad hoc und unkoordiniert 2010 ist in einem Jahr2010 ist in einem Jahr
69 69 Feucht-Feucht-gebiets-gebiets-
artenarten
EUFASOMEUFASOMBiodiversitätBiodiversität
0
10
20
30
40
50
60
5 10 15 20 25 30 35 40
Min
dest
fläc
he in
Mil
lion
en H
ekta
re
Lebensfähige Populationen
Moore
Feuchtwälder
FeuchtwiesenFlussränderGewässer
All Feuchtgebiete
EU25 Bioenergie PotentialeEU25 Bioenergie Potentiale
0
100
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300
400
500
600
0 50 100 150 200 250 300 350 400
Mar
gina
le B
iom
asse
Kos
ten
in E
uro/
ton
Europäische Biomasse Produktion in Millionen Tonnen
10 Mha
30 Mha
Feuchtgebiete = 40 Mha
3 Global FASOM 3 Global FASOM SimulationenSimulationen Havlík, P., U.A. Schneider, E. Schmid, H. Böttcher, S. Fritz, R. Skalský, Havlík, P., U.A. Schneider, E. Schmid, H. Böttcher, S. Fritz, R. Skalský,
Kentaro A., S. de Cara, G. Kindermann, F. Kraxner, S. Leduc, I. McCallum, Kentaro A., S. de Cara, G. Kindermann, F. Kraxner, S. Leduc, I. McCallum, A. Mosnier, T. Sauer, and M. Obersteiner (2009), A. Mosnier, T. Sauer, and M. Obersteiner (2009), Global land-use Global land-use implications of first and second generation biofuel targets,implications of first and second generation biofuel targets, submitted to submitted to Energy Policy.Energy Policy.
Schneider U.A., P. Havlík, E. Schmid, M. Obersteiner, T. Sauer, R. Schneider U.A., P. Havlík, E. Schmid, M. Obersteiner, T. Sauer, R. Skalský, S. Fritz (2009) Skalský, S. Fritz (2009) Food production impacts of alternative global Food production impacts of alternative global development scenariosdevelopment scenarios, submitted to , submitted to Population and EnvironmentPopulation and Environment..
Sauer, T.P. Havlík, U.A. Schneider, G. Kindermann, M. Obersteiner (2009), Sauer, T.P. Havlík, U.A. Schneider, G. Kindermann, M. Obersteiner (2009), Agriculture and resource availability in a changing world - the role of Agriculture and resource availability in a changing world - the role of irrigation, revised for irrigation, revised for Water ResearchWater Research. .
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Sauer, T.P. P. Havlík, U.A. Schneider, G. Kindermann, and M. Obersteiner Sauer, T.P. P. Havlík, U.A. Schneider, G. Kindermann, and M. Obersteiner (2008), “Agriculture, Population, Land and Water Scarcity in a changing (2008), “Agriculture, Population, Land and Water Scarcity in a changing World – The Role of Irrigation”, The XIIth EAAE Congress, Ghent, Belgium, World – The Role of Irrigation”, The XIIth EAAE Congress, Ghent, Belgium, August 26-29, 2008.August 26-29, 2008.
0
500
1000
1500
2000
Vegetarian Food Animal Food Animal Food Share 0
10
20
30
40
50
Dai
ly C
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kcal
/cap
ita/d
ay)
World Aggregate
2005 SituationLand, Water, Population
Land, Water, Population, GDPLand, Water, Population, GDP, Yields
Land, Water, Population, GDP, CO2-Tax, Yields
SchlussfolgerungenSchlussfolgerungen
Landnutzung wichtig für KlimaschutzLandnutzung wichtig für Klimaschutz Klimaschutzbeitrag mit anderen Zielen koordinierenKlimaschutzbeitrag mit anderen Zielen koordinieren Landnutzungswettbewerb kein vermeidbares ÜbelLandnutzungswettbewerb kein vermeidbares Übel Globale Wechselwirkungen beachtenGlobale Wechselwirkungen beachten Emissionsorientierte PolitikinstrumenteEmissionsorientierte Politikinstrumente Globaler AltwaldschutzGlobaler Altwaldschutz Kombinierte LandnutzungstechnologienKombinierte Landnutzungstechnologien
Everything is related with everything