Unabhängig davon, welches der weithin akzeptierten globalen Zirkulationsmodelle letztendlich der Vorhersage des Ausmaßes der durch den Klimawandel verursachten Erwärmung am nächsten kommt, wird die Maisproduktion zurückgehen, so eine neue Studie von Forschern der Penn State.
Sie bewerteten die potenziellen Auswirkungen von 18 Erwärmungsszenarien, die von verschiedenen Treibhausgaskonzentrationen in der Atmosphäre abhängen, um die potenziellen Auswirkungen des künftigen Klimawandels auf die Maiserträge bei Bewässerung und Regenfeldbau von den 2020er bis zu den 2090er Jahren zu bestimmen. Obwohl sich die Untersuchung auf die Great Plains in den USA konzentrierte – im Herzen der wichtigsten Maisanbauregion des Landes – haben die Ergebnisse vermutlich globale Auswirkungen.
Zur Schätzung der Erträge setzten die Forscher das AquaCrop-Modell ein – eine von der Ernährungs- und Landwirtschaftsorganisation der Vereinten Nationen entwickelte Simulation des Pflanzenwachstums -, um die Auswirkungen von Umwelt und Bewirtschaftung auf die Pflanzenproduktion zu bewerten und die Reaktion der Erträge auf Wasser vorherzusagen. Das Untersuchungsgebiet ist repräsentativ für die landwirtschaftlichen Bewirtschaftungspraktiken in der Region und stellt das am dichtesten bewässerte Gebiet in den Central Plains dar, die eine Unterregion der Great Plains sind.
Mais ist anfällig für Umweltfaktoren wie erhöhte Lufttemperatur, erhöhte Strahlung, Dampfdruckdefizit und Feuchtigkeitsveränderungen, so der leitende Forscher Suat Irmak, Professor und Leiter der Abteilung für Agrar- und Bioingenieurwesen an der Hochschule für Agrarwissenschaften. Er und sein Team stellten fest, dass die Bewässerungserträge weit weniger betroffen sein werden als die Regenfeldbauerträge.
„In unserer Studie haben wir in Abhängigkeit von der Treibhausgaskonzentration in der Atmosphäre und der damit verbundenen Erwärmung einen Rückgang der Maiserträge im Regenfeldbau zwischen 2,2 % und 21,5 % festgestellt“, sagte er. „Bei denselben Treibhausgaskonzentrationen war die Bandbreite der Rückgänge bei bewässerten Erträgen geringer – von 3,7 % bis 15,6 %, was darauf zurückzuführen ist, dass Bewässerungstechnologien stabilere Wachstumsbedingungen unter Wasser- und Temperaturstress bieten.
Laut dem Intergovernmental Panel on Climate Change (Zwischenstaatlicher Ausschuss für Klimaänderungen) wird sich das globale Klima bis zum Jahr 2040 höchstwahrscheinlich um 2,16 bis 3,42 Grad Celsius erwärmen, erklärte Irmak. Die globale mittlere Oberflächentemperatur war im Zeitraum 2001-20 um 1,78 Grad höher als in der vorindustriellen Zeit von 1850-1900, so das Gremium der Vereinten Nationen.
Frühere Forschungsarbeiten von Irmak und anderen haben gezeigt, dass der Klimawandel bereits Auswirkungen auf die Produktivität der wichtigsten landwirtschaftlichen Kulturen in den globalen Agrarökosystemen hat. Irmak fand heraus, dass aufgrund des Anstiegs der Lufttemperaturen Frühlingsfröste früher und Herbstfröste später auftreten. Dies führt zu einer Verlängerung der Vegetationsperiode um bis zu 20 Tage und mehr, was erhebliche Auswirkungen auf die landwirtschaftliche Produktion in den USA und weltweit hat.
Die Forschung ist wichtig, so Irmak, denn Mais ist in vielerlei Hinsicht die wichtigste Kulturpflanze des Landes. Nach Angaben des US-Landwirtschaftsministeriums wird Mais in den Vereinigten Staaten auf 92 Millionen Hektar angebaut. Angesichts des kontinuierlichen Anstiegs der Lufttemperatur und des Bedarfs an Luftfeuchtigkeit – in Verbindung mit einer zunehmend begrenzten Wasserversorgung und einer Verschlechterung der Wasserqualität im Mittleren Westen und im Westen – könnte es zu einer erheblichen Verlagerung der Maisproduktion in den Osten der USA kommen, warnte er.
„Diese Analysen können für Politiker, Entscheidungsträger und Landwirtschafts- und Wasserressourcen-Manager/-Fachleute wertvoll sein, um die zukünftigen Kompromisse zwischen Bewässerungs- und Regenwassererträgen zu bewerten“, sagte er. „Sie müssen wissen, wie sich die Landschaften unter zwei Szenarien in Bezug auf den Klimawandel entwickeln werden.
In den Ergebnissen, die kürzlich in der Zeitschrift Agricultural Water Management veröffentlicht wurden, berichten die Forscher, dass auf der Grundlage ihrer Modellierungsergebnisse die Erträge bei Regenanbau um bis zu 40 Scheffel pro Acre zurückgehen werden, während bei Bewässerung nur mit einem Rückgang von 19 Scheffel pro Acre zu rechnen ist. Darüber hinaus werden die Erträge von Regenmais in den meisten globalen Zirkulationsmodellen stärker schwanken als die Erträge von Bewässerungsmais.
Diese Rückgänge wären schädlich, weil Mais ein fester Bestandteil unseres Lebens ist, wie Irmak betonte. Er wird als Tierfutter, für den menschlichen Verzehr, für die Faserproduktion und für den Anbau von Ethanol verwendet. Daher müssen Agrarwissenschaftler die zu erwartenden Produktionseinbußen und ihre Auswirkungen analysieren, schlug er vor. „Der Klimawandel ist real – das ist die Quintessenz“, sagte er. „Wir müssen verstehen, wie sich dies auf unsere nationale Politik und die Lebensmittelversorgung auswirken könnte.
Die Veränderungen der Klimaeigenschaften werden sich den Prognosen zufolge in den meisten Land- und Ozeanregionen in Form erhöhter mittlerer Lufttemperaturen mit heißen Extremen, starken Niederschlägen und einer erhöhten Wahrscheinlichkeit von Dürren und Niederschlagsdefiziten äußern, so Irmak weiter. Solche Klimaschocks und -verschiebungen werden sich auf die Ernteerträge, die Anbauflächen und die Nahrungsmittelversorgung auswirken und die nachhaltige landwirtschaftliche Entwicklung sowie die Ziele der Armutsbekämpfung beeinträchtigen.
„Es ist jedoch schwierig, die Größenordnung dieser Veränderungen abzuschätzen, da Temperaturen und Niederschläge zusammen mit anderen wichtigen meteorologischen Variablen komplexe Auswirkungen auf die Ernteerträge haben“, sagte er. „Dies ist nur mit geeigneten Erntemodellen möglich. Wir werden ähnliche langfristige Analysen für spezielle Anbausysteme, einschließlich Obstbäume und wichtige Reihenkulturen, auch in Pennsylvania durchführen.“
Diese Studie ist Teil einer langfristigen Forschungsarbeit, die sich mit den Grundlagen des gekoppelten Klimawandels und den Auswirkungen von Wasser-, Nährstoff- und Pflanzenbewirtschaftungsstrategien auf die Produktivität von Agrarökosystemen und die Umweltbeziehungen bei Anbausystemen befasst und die Irmak an der University of Nebraska begonnen hat und an der Penn State fortsetzt.
Zur Forschung beigetragen haben Rupinder Sandhu und Meetpal Kukal, die beide ihren Master- und Doktortitel erworben haben und als Postdocs unter Irmaks Aufsicht an der Universität von Nebraska gearbeitet haben. Kukal ist derzeit wissenschaftlicher Assistenzprofessor in der Abteilung für Agrar- und Biotechnologie an der Penn State, und Sandhu arbeitet bei Locus Agricultural Solutions.
Die Forschung wurde vom National Institute of Food and Agriculture des US-Landwirtschaftsministeriums finanziert.
Datum: Februar 22, 2022
Quelle: Penn State
Journal Reference:
- S. Irmak, R. Sandhu, M.S. Kukal. Multi-model projections of trade-offs between irrigated and rainfed maize yields under changing climate and future emission scenarios. Agricultural Water Management, 2022; 261: 107344 DOI: 10.1016/j.agwat.2021.107344