Mögliche Auswirkungen des Klimawandels auf Ertrag und Qualität

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Mögliche Auswirkungen des Klimawandels auf Ertrag und
Qualität von Getreide
Hans-J. Weigel, R. Manderscheid und M. Schaller , Braunschweig
1. Einführung
Langfristige Beobachtungen von Veränderungen des Klimas und die in den letzten Jahren
aufgetretenen Wettervariationen einerseits sowie die immer konkreter werdenden ModellProjektionen in die Zukunft des Klimas andererseits haben die Aufmerksamkeit auch im Bereich
Klimawandel und Landwirtschaft in jüngster Zeit deutlich auf den Aspekt der möglichen Folgen des
Klimawandels für den Agrarsektor hin verschoben. Der jüngste Bericht des Intergovernmental
Panel on Climate Change (IPCC 2007) hat die zukünftige Entwicklung des globalen Klimas in
drastischer Weise beschrieben. Auch für Deutschland liegen nun konkretere Szenarien zur
regionalen Entwicklung des zukünftigen Klimas vor. Immer deutlicher wird, dass der für die
nächsten Jahrzehnte vorhergesagte Klimawandel nicht mehr aufzuhalten ist.
Die überragende Bedeutung von Getreidearten für menschliche Ernährung bzw. als sonstiger
Rohstoff auf globaler, regionaler und lokaler Ebene macht es insbesondere erforderlich, mögliche
Folgen des Klimawandels für diese Kulturpflanzenarten zu bewerten. Im vorliegenden Beitrag
werden dazu einige Aspekte angesprochen und exemplarisch mit konkreten, eigenen
Untersuchungsergebnissen unterlegt.
2. Elemente und Szenarien des Klimawandels
Der vorausgesagte Klimawandel betrifft Veränderungen mittlerer Klimawerte und der
Klimavariabilität sowie die Änderungen in Häufigkeit, Dauer und Stärke von Klimaextremen. Die
jüngsten Klimaszenarien (IPCC 2007) sagen - unter zu Grunde Legung verschiedener EmissionsSzenarien - bis zum Jahr 2100 eine Temperaturzunahme von durchschnittlich 1,80C bis 4,00C
voraus. Dies soll aller Wahrscheinlichkeit nach mit einer Niederschlagszunahme in den höheren
Breitengraden verbunden sein, während eine Abnahme der Niederschläge eher in den meisten
subtropischen Landregionen erfolgen wird. In Mitteleuropa nehmen die Niederschläge in den
Wintermonaten zu, in den Sommermonaten dagegen z.T. deutlich ab. Sehr wahrscheinlich ist eine
Zunahme des Auftretens von Hitzeperioden und schweren Niederschlagsereignissen. Als
wahrscheinlich wird u.a. eine Zunahme in der Intensität tropischer Wirbelstürme angesehen.
Daneben wird ein weiterer Anstieg des Meeresspiegels stattfinden.
Neben Veränderungen der Temperatur und Verschiebungen von Niederschlagsverhältnissen
(physikalische Klimaparameter) verändert sich die chemische Zusammensetzung der Atmosphäre
(chemische Klimaparameter). Die Konzentrationen zahlreicher Spurengase (Kohlenstoffdioxid,
CO2; Ozon, O3 in der Troposphäre; Distickstoffmonoxid bzw. Lachgas, N2O; Stickstoffmonoxid und
-dioxid, NO bzw. NO2; Methan, CH4) haben in den letzten 100 Jahren deutlich zugenommen.
Neben ihrer Rolle als „Treibhausgase“, sind Gase wie CO2, O3 und NO/NO2 jedoch auch in die
biogeochemischen Kreisläufe eingebunden und interagieren unmittelbar mit Pflanzen und Böden.
Von besonderer Bedeutung ist in diesem Zusammenhang die Zunahme der CO2-Konzentration in
der Atmosphäre. Diese Zunahme gehört zu den am sichersten vorhersagbaren und
unausweichlichen Entwicklungen der vorausgesagten Klimaänderungen. Während die globale
CO2-Konzentration der Atmosphäre über > 400 000 Jahre hinweg bis etwa zum Ende des 19.
Jahrhunderts bei ca. 280 ppm lag, steigt sie seitdem rasch an und beträgt gegenwärtig bereits
über 380 ppm. Dieser Trend wird sich mit noch größerer Intensität als bisher fortsetzen. In nur 50
Jahren soll die CO2-Konzentration bereits bei ca. 500–550 ppm liegen. Als Substrat der
Photosynthese ist CO2 aus der Atmosphäre für Wachstum und Entwicklung aller Pflanzen von
fundamentaler Bedeutung.
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Die für Deutschland vorausgesagten Klimaänderungen folgen dem globalen Trend. Vorausgesagt
werden folgende wesentlichen Änderungen, die sich zum Teil je nach verwandtem Regionalmodell
(REMO vom Max Plank Institut für Meteorologie in Hamburg bzw. WETTREG der Firma CEC in
Potsdam) regional deutlich unterscheiden:
•
•
•
•
•
ein genereller Temperaturanstieg von ca. 2,50C und mehr bis 2070-2100, der nach den
WETTREG-Simulationen besonders deutlich im Norden, Nordosten und in Teilen
Westdeutschlands, nach REMO-Daten jedoch besonders im Süden, hier v.a. dem Alpenraum
ausgeprägt sein wird;
ein regional differenzierter, z.T. erheblicher Rückgang der Sommerniederschläge nach
WETTREG insbesondere für den Nordosten (ca. 30% bis 2070-2100), nach REMO auch für
den Südwesten;
eine ebenso regional (orographisch) stark differenzierte Zunahme der Winterniederschläge,
insbesondere (+ 30%-80% bis 2070-2100) in den Mittelgebirgen aber auch in Süddeutschland;
eine Zunahme der Klimavariabilität verbunden mit häufigerem Auftreten von Hitzeperioden,
Starkregenereignissen und Stürmen;
sowie ein dem globalen Trend folgender Anstieg der CO2-Konzentration in der Atmosphäre.
Die Vorhersage der Veränderungen der Konzentrationen sonstiger Luftinhaltsstoffe ist schwieriger.
Bodennahe Ozonkonzentrationen werden bei einem wärmer werdenden Klima eher zunehmen.
3. Auswirkungen der Änderungen einzelner Klimaelemente auf die
Pflanzenproduktion
Vorhersagen zu den Auswirkungen von Klimaänderungen auf die Landwirtschaft beginnen mit der
Bewertung der unmittelbaren biophysikalischen Wirkungen sich ändernder Klimaelemente auf die
pflanzlichen Leistungen (Menge und Qualität) und auf die strukturellen und funktionellen
Eigenschaften von Agrarökosystemen (z.B. Bodeneigenschaften, Pflanzenkrankheiten). Aus
diesen Primärwirkungen des Klimawandels resultieren Folgewirkungen auf die regionale und
nationale Agrarproduktion bis hin zu Effekten auf die globale Agrarproduktion und die globalen
Handelsströme. Hier sollen die Primärwirkungen der für die Pflanzenproduktion wichtigen Faktoren
Temperatur, Niederschlag und atmosphärische CO2-Konzentration im Vordergrund stehen.
3.1 Temperaturveränderungen
Stoffwechsel und Wachstum von Kulturpflanzen sind durch Kardinaltemperaturen (Minimum,
Optimum, Maximum) gekennzeichnet, die je nach Pflanzenart (oder –Sorte) bzw. je nach Standort
und Herkunft sehr unterschiedlich ausgeprägt sind (Abb. 1). Eine Temperaturerhöhung unterhalb
des Optimums führt in der Regel zu einer Leistungssteigerung, oberhalb des Optimums dagegen
zu einer negativen Wirkung. Der zukünftige Temperaturanstieg kann daher je nach Voraussetzung
zu Vor- oder Nachteilen für die Landwirtschaft führen. Die Länge einzelner pflanzlicher
Entwicklungsphasen wird von der Temperatur und gelegentlich auch von der Photoperiode
gesteuert. Veränderungen der mittleren Temperaturwerte stehen nachfolgend im Vordergrund.
Wärmere Winter- und Frühjahrsmonate werden daher zu einer Wachstumsbeschleunigung führen.
Erste Hinweise für den beginnenden Klimawandel liefert die Beobachtung, dass das 1Knotenstadium bei Roggen heute ca. 8 Tage früher eintritt als vor 40 Jahren. Bei gleich bleibender
Temperaturvariabilität führt die Erwärmung zu einer Abschwächung der Winterfröste und somit
einer Reduktion der Auswinterungsschäden bei Wintergetreide. Ein wesentlicher Faktor für den
Kornertrag ist die Zeitdauer von der Blüte bis zur Kornreife. Die Länge dieser Phase wird durch die
Temperatur bestimmt, d. h. die Pflanze benötigt eine genetisch fixierte Temperatursumme (°C x
Tag). Beträgt die Temperatursumme z.B. 840 °C x Tag (vgl. Tab. 1) so entspricht dies unter den
Witterungsbedingungen in Braunschweig im Jahr 2005 einer Zeitspanne von 46 Tagen. Eine
Temperaturzunahme um 2,6°C, die etwa in 50 Jahren erwartet wird, verkürzt die Phase auf 40
3
Tage. Bei der Annahme einer linearen Beziehung zwischen Kornfüllungsdauer und Kornertrag,
hätte dies eine Ertragsminderung von 13% zur Folge. In Wirklichkeit wird jedoch die Verkürzung
der Kornfüllungsdauer über eine Zunahme der Kornfüllungsrate teilweise kompensiert, sodass ein
Temperaturanstieg um 1°C eine Reduktion des Kornertrags von 3-4% mit sich bringt.
Andererseits ermöglicht eine Temperaturerhöhung eine Verschiebung in den Anbaugebieten zu
nördlicheren Breitengraden (pro Grad Temperaturerhöhung ca. 100-150 km nordwärts) und zu
größeren Höhenlagen (pro Grad Temperaturerhöhung ca. 100 m). Dies bedeutet z.B. für Europa
eine Nordwärtsverschiebung der Anbaumöglichkeiten für Sommergetreide und Körnermais.
Die Photosynthese und viele pflanzliche Wachstumsprozesse, wie z. B. Blatt-, Halm- und
Kornwachstum, tolerieren einen großen Temperaturbereich und überstehen kurzfristige
Temperaturschwankungen von ca. 0-40°C ohne schwerwiegende Beeinträchtigung. Dem
gegenüber sind Zellen aus dem Gewebe der Fortpflanzungsorgane während ihrer
Ausdifferenzierungsphase sehr temperatursensitiv. Dies entspricht beim Getreide der
Ausdifferenzierung der männlichen Pollen und der weiblichen Eizellen. Man hat beobachtet, dass
während der Blüte kurzfristige Temperaturanstiege auf über 30°C, wie sie z.B. in den
Nachmittagsstunden eines Sommertages auftreten können, zu einem rapiden Abfall der Kornzahl
führen können (Abb. 2). Derart hohe Temperaturen wurden bereits im Hitzesommer 2003 kurz vor
der Anthese erreicht (Abb. 3). Der Schwellenwert von 30°C für die Abnahme der Kornzahl gilt
jedoch nur wenige Tage. Während der anschließenden Kornfüllung bewirken solche
Hitzeereignisse vor allem eine Entwicklungsbeschleunigung und können sich u.U. negativ auf die
Kornqualität auswirken, indem z.B. das Gliadin zu Glutenin-Verhältnis ansteigt.
Treten Extremereignisse während der Vegetationsperiode vermehrt auf, muss mit relativ größeren
Schäden gegenüber heutigen Verhältnissen gerechnet werden. Hitze als Stressfaktor für
Kulturpflanzen würde damit an Bedeutung gewinnen.
3.2 Niederschlagsveränderungen
Wasser ist neben der Temperatur der entscheidende Wachstums- und Ertragsfaktor. Unter
Wassermangel kommen Stoffwechselprozesse und damit auch das Wachstum zum Erliegen. Da
eine knappe Wasserversorgung bereits heute in einigen Regionen Ostdeutschlands
ertragslimitierend wirkt, werden zunehmende Durchschnittstemperaturen und die Abnahme der
Niederschläge hier zu einer weiteren Anspannung des Wasserhaushaltes führen. Generell ist in
Zukunft bei zunehmender Sommertrockenheit insbesondere auf flachgründigen, sandigen Böden
mit häufiger auftretendem Trockenstress zu rechnen, der sich bei Pflanzen zudem in Problemen
bei der Nährstoffaufnahme äußert. Da trockene und heiße Witterungsperioden häufig gleichzeitig
auftreten, werden ungünstige Wachstumsperioden zunehmen.
Positiv kann sich das veränderte Feuchteregime auf die Bearbeitung ehemals vernässter Flächen
auswirken. Ebenfalls positiv zu werten ist der reduzierte Krankheitsdruck, insbesondere von
Pilzerkrankungen, da bei abnehmenden Niederschlägen bzw. abnehmender Befeuchtung der
Pflanzen während der Hauptwachstumsperiode die Infektionen bzw. die Populationsentwicklungen
der Pathogene abnehmen dürften. Dagegen sind die Auswirkungen zunehmender
Starkniederschläge, wie sie für den Sommer prognostiziert werden, überwiegend negativ
einzuschätzen. Neben Schäden an den Ackerkulturen sind hier Erosionsschäden gravierend.
Die Konsequenzen der zukünftigen Entwicklung der Niederschläge in Deutschland für die
Landwirtschaft sind wahrscheinlich nur regional zu bewerten, da die zu erwartenden
Niederschlagsänderungen vor allem kleinräumig unterschiedlich sein werden. Besonders kritisch
wird die Situation für den Nordosten eingeschätzt, da hier die zunehmende Sommertrockenheit
durch leichte Böden mit geringer Wasserspeicherkapazität und weit verbreitete Drainagesysteme
verschärft wird. Im Herbst bzw. Winter können dagegen höhere Niederschläge und wärmere
Temperaturen auf feuchten Standorten die Bodenbearbeitung erschweren sowie insgesamt zu
4
einem höheren Befallsdruck durch Pilze und Schädlinge führen. So korrelieren z.B. die Erträge für
Roggen und Wintergerste negativ mit den Winterniederschlägen.
Mögliche Folgen des Klimawandels für die Qualität von Getreide und anderen Kulturpflanzen sind
bisher generell noch wenig untersucht worden. Erste Hinweise gab der heiße Juli 2006, der zu
einer Veränderung der Korn- und damit auch Verarbeitungsqualität bei Winterweizen führte: zum
ersten Mal wurden in Deutschland klassische, aus dem mediterranen Raum bekannte
Hitzestressmerkmale beobachtet, wie höhere Protein- und Klebergehalte, weichere Kleber und
geringere Wasseraufnahmen der Teige. Mehrtägige Temperaturen über 35°C können überdies zu
einer Verschlechterung der Eiweißzusammensetzung führen.
3.3 Atmosphärische CO2-Konzentration
Die heutige CO2-Konzentration der Atmosphäre ist für alle C3-Pflanzen suboptimal. Eine Erhöhung
der CO2-Konzentration in der Umgebung dieser Pflanzen führt daher zu einer Stimulation der
Photosynthese und damit verbunden häufig zu einer Wachstumsstimulation. Dabei wird in der
Regel gleichzeitig die Blatttranspiration reduziert (Abb. 4) und durch den „Kohlenstoff-Überfluss“ an
löslichen Kohlehydraten aus der CO2-Assimilation ändert sich die Gewebezusammensetzung.
Diese Primärwirkungen des CO2 werfen die Frage auf, welche direkten Auswirkungen der weitere
Anstieg der CO2-Konzentration in der Atmosphäre für alle Landökosysteme haben könnte und wie
dies im Kontext des sonstigen Klimawandels zu bewerten ist.
Von landwirtschaftlicher Bedeutung ist vor allem, welche direkte Wachstums- bzw.
Ertragsbeeinflussung bei Kulturpflanzen durch erhöhte CO2-Konzentrationen zukünftig zu erwarten
sein könnte. Vorstellungen dazu liegen vor allem aus zahlreichen Experimenten vor, bei denen
Pflanzen unter mehr oder weniger naturfernen Bedingungen (z.B. in Versuchen in verschiedenen
Arten von Klimakammern unter optimaler Wasser- und Nährstoffversorgung) zukünftigen CO2Konzentrationen ausgesetzt wurden. Die aus solchen Versuchen und aus Modellrechnungen
abgeleiteten potentiellen Biomasse- und Ertragszuwächse bei Kulturpflanzen - insbesondere auch
bei Weizen – liegen für eine CO2-Konzentration des Jahres 2050 bei ca. 20% (Tab. 2). Andere
Schätzungen gehen von mittleren Ertragssteigerungen bei verschiedenen (C3-) Kulturpflanzen von
+ 33% bei einer Verdopplung der CO2-Konzentration gegenüber dem vorindustriellen Wert (ca.
280 ppm) aus.
Eigene Untersuchungen im Rahmen des Braunschweiger FACE-Versuches ergaben niedrigere
Ertragszuwächse. In diesem für Europa einzigartigen Experiment wurden die Reaktionen von
Wintergerste (Sorte Theresa) und Winterweizen (Sorte Batis) auf eine CO2-Erhöhung auf 550 ppm
im Feld unter Verwendung einer kammerlosen Freilandbegasungsanlage (Free Air Carbon
Dioxoide Enrichment = FACE; Abbildung 5) im Verlauf einer 6-jährigen Fruchtfolge (2000-2005)
untersucht. Die in jeweils zwei Vegetationsperioden ermittelten mittleren Ertragszuwächse lagen
bei ortsüblicher Stickstoffdüngung bei Wintergerste zwischen 7,5% - 16,5% und bei Winterweizen
bei jeweils knapp 16% im Vergleich zur Kontrolle, die die heutige CO2-Atmosphäre repräsentierte.
Die Ertragszuwächse basierten primär auf einer Zunahme der Kornzahl, während Änderungen im
Tausendkorngewicht eine untergeordnete Rolle spielten. Der Ernteindex war unabhängig von der
atmosphärischen CO2-Konzentration, d. h. der Strohertrag nahm im gleichen Umfang zu wie der
Kornertrag. Auch die wenigen anderen weltweit bisher durchgeführten FACE-Versuche mit
Getreidearten (Japan: Reis; USA: Weizen; China: Weizen) haben relativ niedrige Ertragszuwächse
erbracht, die unter den Werten aus CO2-Anreicherungsexperimenten in Klimakammern oder
Gewächshäusern liegen. Die Ursachen für diese Diskrepanz sind noch unklar. Eine der
favorisierten Hypothesen besagt, dass das genetisch fixierte Wachstumspotential nicht „mithalten“
kann mit der Zunahme der Photosynthese bei erhöhter atmosphärischer CO2-Konzentration.
Eine Verminderung der Transpiration auf der Ebene einzelner Blätter durch erhöhte CO2Konzentrationen sollte auch die Bestandeswasserabgabe bzw. die Evapotranspiration von
Kulturpflanzen
vermindern
und
letztlich
zu
einer
positiven
Wirkung
auf
die
5
Wasserausnutzungseffizienz und den Bestandeswasserhaushalt führen. Auf der Bestandesebene
ergeben sich jedoch weitere Aspekte, die bei der Wasserabgabe pro Grundfläche eine Rolle
spielen. Hierzu gehören z. B. Änderungen in der Bestandesstruktur (gesamte Blattfläche,
räumliche Anordnung der Blätter) und das langfristige Wechselspiel zwischen Bodenfeuchte und
Wasserabgabe durch den Bestand. Die vorliegenden Informationen zur Wirkung erhöhter CO2Konzentrationen auf den Wasserhaushalt von Getreidearten weisen auf einen, wenn auch
geringen, positiven (d.h. Wasserersparnis) Effekt.
Im o.g. FACE-Experiment wurde die Wasserabgabe bzw. Evapotranspiration von ca. 1 m2
Bodenfläche eines Weizenbestandes mittels einer speziellen Bestandesmesskammer erfasst
(Abbildung 6). Wie beispielhaft über fünf Tage kurz vor der Blüte dargestellt, führte die erhöhte
CO2-Konzentration zu einer verringerten Wasserabgabe des Bestandes. Der daraus resultierende
Effekt einer „Wasserersparnis“ im Boden ist in Abbildung 7 als Verlauf der nutzbaren Feldkapazität
dargestellt. Anhand des Endwertes ließ sich eine Wasserersparnis durch erhöhtes CO2 von ca. 5%
für die ganze Vegetationsperiode abschätzen.
Diese CO2-Wirkung auf den pflanzlichen
Bestandeswasserhaushalt deutet darauf hin, dass positive Wachstumseffekte des CO2 auch
indirekt über eine verbesserte Wasserversorgung möglich sind. Ob dieser Effekt in einem zukünftig
wärmeren Klima Probleme mit Bodentrockenheit bzw. Trockenstress abmildert, ist noch zu prüfen.
Es konnte in einzelnen Experimenten gezeigt werden, dass die relative Empfindlichkeit gegenüber
Trockenstress unter erhöhten CO2-Konzentrationen abnimmt. Der direkten Wirkung steigender
CO2-Konzentrationen in der Atmosphäre kommt daher auch unter dem Aspekt sich ändernder
Wasserversorgung eine entscheidende Bedeutung bei der Bewertung der Folgen des
Klimawandels zu.
Eine in fast allen Studien zum „CO2-Düngeeffekt“ beobachtete Reaktion ist die Veränderung der
chemischen Zusammensetzung des pflanzlichen Gewebes. Diese CO2-Wirkung wird auch bei
Getreidearten beobachtet. Betroffen sind sowohl der Gehalt an Makro- und Mikroelementen (Tab
3) als auch die Konzentrationen sonstiger Inhaltsstoffe (z.B. Zucker, Vitamine, sekundäre
Pflanzenstoffe).
Herausragendes Beispiel ist die Reduktion des Stickstoffgehaltes sowohl in vegetativen Organen
(Blatt, Stängel) als auch in Früchten und Samen bzw. Körnern. Eigene CO2Anreicherungsuntersuchungen (550 – 650 ppm) an Weizen und Gerste, die über mehrere Jahre
unter unterschiedlichen Wachstumsbedingungen (z.B. unterschiedliche Stickstoffversorgung;
Vergleich alter unter neuer Sorten) sowie unterschiedlichen CO2-Expositionsbedingungen
(Laborbedingungen: Klimakammer; Feldbedingungen: Open-Top Kammer, FACE) durchgeführt
wurden, ergaben im Mittel über alle Versuchsbedingungen eine Reduktion des Stickstoffgehaltes
in den Getreidekörnern in der Größenordnung zwischen 10% - 15% im Vergleich zur heutigen
CO2-Konzentration (Tab. 4).
Im Braunschweiger FACE-Versuch lagen der Rückgang der Kornstickstoffgehalte bei Weizen
zwischen
3%-14%
und
bei
Gerste
zwischen
11%-16%.
Untersuchungen
zur
Proteinzusammensetzung ergaben, dass erhöhte atmosphärische CO2-Konzentrationen ähnlich
wie eine Reduktion der Stickstoffdüngung wirken und vor allem die Fraktion der Kleberproteine
verringern, während die Albumine und Globuline weniger stark betroffen sind. Aus derartigen
Qualitätsänderungen ergeben sich möglicherweise Folgen für die Nahrungsmittelqualität der
Zukunft. Der Eiweißertrag als Produkt aus Eiweißgehalt und Kornertrag änderte sich bei der
Wintergerste jedoch nicht unter erhöhten CO2–Konzentrationen. Die Veränderung der pflanzlichen
Inhaltstoffe wird sich außerdem auch auf den Krankheits- und Schädlingsbefall auswirken:
Pflanzen fressende Insekten werden vermutlich die mit einer höheren Konzentration an löslichen
Kohlenhydraten einhergehenden geringeren Eiweiß- und Nährstoffgehalte durch eine höhere
Stoffaufnahme ausgleichen; erhöhte Gehalte an sekundären Pflanzenstoffen könnten die Pflanze
dagegen vor verstärktem Befall schützen.
3.4 Interaktionen
6
Der Klimawandel in den nächsten Dekaden ist verbunden mit zunehmenden
Durchschnittstemperaturen, häufiger auftretenden Extremereignissen, wie Hitzeperioden und
Starkregenniederschlägen, feuchteren Winter- und trockeneren Sommermonaten sowie einer
weiteren raschen Zunahme der atmosphärischen CO2-Konzentration. Die Auswirkungen dieser
Einzelfaktoren und das mögliche Wechselspiel untereinander müssen berücksichtigt werden, wie
folgendes Beispiel demonstriert: die Sommertrockenheit infolge der Abnahme der Niederschläge
wird durch eine vermehrte Evapotranspiration verschärft, die sich aus den höheren Temperaturen
ergibt. Andererseits könnte die Reduktion des Wasserverbrauchs unter erhöhten CO2
Konzentrationen zu einer Entschärfung dieser Effekte führen. Hinzu kommt, dass die relative
Stimulation der Photosynthese durch eine erhöhte CO2-Konzentration bei Bodentrockenheit
ansteigt, sodass die positiven CO2-Effekte zu einer wesentlichen Abmilderung des
Trockenstresseffekts führen könnten.
Die Interaktionen zwischen erhöhten Temperaturen und erhöhten CO2-Konzentrationen spielen
eine wichtige Rolle bei der Bewertung möglicher Folgen der Klimaerwärmung für die Ernteerträge
und damit für die Vorhersage der zukünftigen Versorgung mit Nahrungsmitteln. Je nachdem, ob
der physiologische CO2-Effekt in entsprechenden Pflanzenwachstums- bzw. Ertragsmodellen
berücksichtigt wird oder nicht, kann sowohl die Richtung als auch das Ausmaß der
vorausgesagten Temperatureffekte variieren. So fallen negative Ertragseffekte bei Getreide, die
allein aufgrund der Auswirkungen erhöhter Temperaturen (und schlechterer Wasserversorgung)
auf die Kornerträge berechnet werden, wesentlich geringer aus bzw. kehren sich in positive
Wirkungen um, wenn der CO2-Düngeeffekt in die Bewertung mit einbezogen wird. Da dies
wiederum davon abhängt, wie hoch die CO2-bedingten Ertragszunahmen angesetzt werden, ist
eine genaue Kenntnis des Effektes notwendig. Modellberechnungen, bei denen die Änderung der
o.g. Faktoren berücksichtigt wurde, prognostizieren bis 2050 eine Zunahme der Getreideerträge
von bis zu 10%. Die Berechnungen basieren jedoch auf den relativ großen CO2-Effekten, die in
Klimakammer- und Gewächshausversuchen erzielt worden sind, und nicht auf den neueren FACEStudien.
4. Fazit und Zusammenfassung
Der Klimawandel in Europa wird zu einer Zunahme trockener und sehr warmer Anbaubedingungen
führen, wobei die Änderungen im Norden Europas und eventuell auch Deutschlands im Vergleich
zum Süden schneller ablaufen werfen und deutlicher ausgeprägt sein werden. Auch geringe
Niederschlagsrückgänge und Temperaturzunahmen werden die Erträge in Südeuropa
beinträchtigen.
Eine
ausreichende
Wasserversorgung
vorausgesetzt,
werden
die
Produktionsbedingungen im Norden insgesamt vielfältiger bzw. „besser“, obwohl je nach Region
und Nutzungsart positive und negative Wirkungen möglich sind. Es wird Verlierer und Gewinner
geben, und die Agrarproduktion könnte sich insgesamt „nordwärts“ verlagern. Es bleibt jedoch eine
große Unsicherheit bei der Entwicklung kleinräumiger Klima- und Klimawirkungs-Szenarien.
Heutige Ungunstregionen insbesondere durch Trockenheit werden besonders stark betroffen sein.
Der physiologisch positiv wirkende „CO2-Effekt“ trägt in einem bisher noch nicht eindeutig
abzuschätzenden Ausmaß zu positiven Wachstumsreaktionen von Getreidearten bei und könnte
z.T. negative
Ertragswirkungen
kompensieren. Es bestehen jedoch noch erhebliche
Kenntnisdefizite im ertragsphysiologischen und pflanzenbaulichen Bereich zu den möglichen
Wechselwirkungen verschiedener sich ändernder Klimaelemente (Temperatur, Niederschlag,
CO2). Unsicherheiten bestehen weiterhin auch, wie sich die gegenwärtigen Grenzen von
Pflanzenkrankheiten und Schädlingen verschieben und welche Auswirkungen der Klimawandel auf
die Qualität von Getreideprodukten haben wird. „Witterungsschwankungen“ werden insgesamt
eher an Bedeutung bei betriebswirtschaftlichen und -organisatorischen Überlegungen gewinnen.
Allerdings stellen Klimaveränderungen nur eine Einflussgröße auf die Landwirtschaft dar:
entscheidend sind neben technologischen Entwicklungen, wie u.a. in der Züchtung und dem
Betriebsmanagement, vor allem auch agrarpolitische Vorgaben.
7
Anschriften der Verfasser:
Prof. Dr. H.-J. Weigel, Dr. R. Manderscheid und Dr. M. Schaller
Institut für Agrarökologie, Bundesforschungsanstalt für Landwirtschaft (FAL),
Bundesallee 50,
38116 Braunschweig;
[email protected]
Tabelle 1: Beispiel für die Temperatursumme (Tsum) für einzelne Entwicklungsphasen beim
Winterweizen sowie mittlere Temperatur (T) und Dauer (in Tagen) einzelner
Wachstumsperioden am Standort Braunschweig für 2005 und für 2050 (bei einem mittleren
Temperaturanstieg von 2,6°C).
Entwicklungsphase
Aussaat - Kornreife
1-Knotenstadium – Kornreife
Anthese - Kornreife
Tsum
(°C x Tage)
2200
1460
840
Klima 2005
T (°C) Dauer (Tg.)
8,2
267
15,4
95
18,3
46
Klima 2050
T (°C) Dauer (Tg.)
10,8
204
18,0
81
20,9
40
Tabelle 2: Zusammenfassung von Ergebnissen zur Ertragsreaktion (Kornertrag)
verschiedener Kulturpflanzenarten auf steigende CO2-Konzentrationen in der Atmosphäre.
Dargestellt sind die aus Experimenten und Modellrechnungen ermittelten prozentualen
Ertragssteigerungen, die bei einer CO2-Konzentration von ca. 550 ppm zu erwarten wären.
Die Ergebnisse wurden z.T. umgerechnet aus linearen Beziehungen bzw.
Sättigungsfunktionen zwischen Ertragsreaktion und zunehmender CO2-Konzentration (nach
Long et al., Philos. Trans. R. Soc. Lond. 360 (1463): 2011-2020, 2005).
Spezies
Kammerexperimente
linear*
Weizen
Reis
Mais
Hirse
Sojabohne
MW (C3)
22
16
6
23
17
23
ModellVorhersagen
hyperbolisch*
25
18
7
34
19
25
19, 23, 33
26
10
16
19 – 27
8
Tabelle 3: Makro- und Mikronährstoffgehalte im Korn zweier Sommerweizensorten (W1 =
Turbo; W2 = Star) nach Anzucht unter heutigen und unter erhöhten atmosphärischen CO2Konzentrationen
über
die
gesamte
Vegetationsperiode
in
Freiland-CO2Expositionskammern sowie das Verhältnis R zwischen 710/375 ppm CO2 (Manderscheid et.
al., Agric.Ecosyst.Environ. 54, 175-185. 1995).
Nährstoff
Kalium
[mg g-1]
Calcium
[µg g-1]
Magnesium
[mg g-1]
Phosphor
[mg g-1]
Schwefel
[mg g-1]
Eisen
[µg g-1]
Mangan
[µg g-1]
Zink
[µg g-1]
Mittelwerte
Sorte
W1
W2
W1
W2
W1
W2
W1
W2
W1
W2
W1
W2
W1
W2
W1
W2
R
ppm CO2
375
4,49
4,17
369
326
1,05
1,21
3,61
3,95
1,82
1,82
52,2
49,7
42,2
50,1
44,0
45,4
710
4,61
4,43
265
288
0,96
1,05
3,44
3,60
1,43
1,44
39,0
37,0
39,7
46,2
33,2
35,3
1,03
1,06
0,72
0,88
0,91
0,87
0,95
0,91
0,79
0,79
0,75
0,74
0,94
0,92
0,75
0,78
9
Tabelle 4: Übersicht über Auswirkungen erhöhter atmosphärischer CO2-Konzentrationen
auf die Stickstoffkonzentration im Korn verschiedener Weizen- und Gerstensorten. Die
Pflanzen wurden in unterschiedlichen Experimenten unter unterschiedlichen Bedingungen
normaler Umgebungsluft (UG) und erhöhten CO2-Konzentrationen (EC) ausgesetzt.
Dargestellt sind die N-Gehalte (in % der Trockenmasse) sowie das Verhältnis R zwischen
EC/UG. HN, GN = ausreichende, reduzierte N-Versorgung; MW = Mittelwert; * statistisch
signifikanter Effekt (P < 0.05) der CO2-Behandlung (Einzelheiten vgl.: Weigel and
Manderscheid; J. Crop Production, 13, 73-89. 2005).
.
%N
WEIZEN
UG
EC
R
Nandu GN
3,01
2,29
0, 74*
HN
3,23
3,02
0, 93*
Minaret GN
2,42
1,92
0, 79*
HN
2,71
2,70
0, 99
0, 93*
3,02
3,23
Nandu
(1988)
0, 92
2,97
3,20
Turbo
(1979)
0, 96
3,30
3,42
Janetzkis
(1914)
FrüherHeines (1890)
0, 97*
3,33
3,42
Kolben
MW alte Sorten
MW moderne Sorten
Minaret (Topf)
Minaret (Feld)
Turbo (1992)
Turbo (1994)
MW aller Weizenexperimente
3,42
3,22
2,42
2,13
2,42
3,20
3,31
3,00
1,92
1,60
1,75
2,97
GERSTE
Krona
Baronesse
Alexis
Franken
Intensiv
Heines
Hanna
Arena 1992
Alexis 1992
Theresa
UG
2,47
2,28
2,21
2,64
2,49
2,95
%N
EC
2,31
1,94
1,95
2,25
2,21
2,39
2,73
2,17
1,93
1,65
1, 96
1, 94
2,25
1,65
1,64
1,42
1,76
1,60
(1990)
(1989)
(1986)
(1930)
(1914)
(1890)
HN
GN
Eckendorfer Mammut HN
II
GN
MW aller Gerstenexperimente
0, 97
0, 93
0, 79*
0, 75*
0, 72*
0, 92
0, 87
R
0, 93
0, 85*
0, 88*
0, 85*
0, 88*
0, 81*
0, 82
0, 76*
0, 85*
0, 86*
0, 90*
0, 82*
0, 85
10
Abbildung 1: Die Temperaturabhängigkeit der Photosyntheseleistung.
Anzahl der Körner pro Ähre
50
40
30
20
10
0
20
25
30
35
Maximaltemperatur (°C)
40
45
Abbildung 2: Beziehung zwischen der Kornzahl pro Ähre bei Winterweizen und der maximalen
halbstündigen Temperatur in den letzten 5 Tagen vor der Anthese. Die schwarz gefüllten Symbole
repräsentieren erhöhte atmosphärische CO2-Konzentationen während des Pflanzenwachstums.
(Wheeler et al., J. Agric. Sci. 127, 37-48, 1996).
11
35
30
25
20
15
10
Anthese
5
01. J un
08. J un
15. J un
22. J un
29. J un
Abbildung 3: Verlauf der Lufttemperatur in Braunschweig im Juni 2003. Kreise markieren Tage
mit Maximaltemperaturen über 30°C. Daten des deutschen Wetterdienstes.
Photosynthese
heute
Transpiration
2050
heute
2050
C3, z.B. Weizen
C4, z.B. Mais
200
400
600
800
CO2-Konzentration (ppm)
300
400
500
600
CO2-Konzentration (ppm)
Abbildung 4: Schematisierte Darstellung des Effektes steigender CO2-Konzentrationen in der
Atmosphäre auf die pflanzliche Blattphotosynthese und die Blatt-Transpiration. Die BlattTranspiration reagiert bei C3- und C4-Pflanzen in gleicher Weise auf eine CO2-Erhöhung.
12
Evapotranspirationsrate (mmol m-2 s-1 )
Abbildung 5: Aufsicht auf einen CO2-Begasungsring des Braunschweiger FACE-Projektes
während der Winterweizenperiode 2002. Innerhalb des Ringes (20 m Durchmesser) ist die CO2Konzentration der bodennahen Luft während der Tageslichtstunden auf 550 ppm erhöht.
Beschattungsversuche dienen der Aufklärung von Wechselwirkungen zwischen Strahlung und
CO2-Effekt. Mit Hilfe von Bestandesgaswechselkammern werden CO2- und H2O-Flüsse zwischen
Bestand und Atmosphäre untersucht.
FACE (550 ppm CO2)
12
Normale CO2-Konz. (375 ppm)
10
8
6
4
2
0
3. Jun.
4. Jun.
5. Jun.
6. Jun.
7. Jun.
8. Jun.
Abbildung 6: Zeitlicher Verlauf der Evapotranspirationsrate eines Winterweizenbestandes kurz
vor Anthese unter heutiger (375 ppm) und unter zukünftiger atmosphärischer CO2-Konzentration
(550 ppm). Die Messungen wurden mit einer Bestandesgaswechselkammer durchgeführt
(Messergebnisse von Dr. S. Burkart, Institut für Agrarökologie, FAL).
13
120
nutzbare Feldkapazität (%)
100
80
60
40
375 ppm
550 ppm
20
03. Mai
23. Mai
12. Jun
02. Jul
22. Jul
Abbildung 7: Verlauf der nutzbaren Feldkapazität eines Winterweizenbestandes unter normaler
(375 ppm) und erhöhter atmosphärischer CO2-Konzentration (550 ppm) aus dem Braunschweiger
FACE-Experiment.