Weniger Luftverschmutzung führt zu höheren Ernteerträgen

Hafer

Normalerweise ist die Steigerung der landwirtschaftlichen Produktivität davon abhängig, dass etwas hinzugefügt wird, z. B. Düngemittel oder Wasser. Eine neue, von der Stanford University geleitete Studie zeigt, dass die Beseitigung einer bestimmten Sache – eines weit verbreiteten Luftschadstoffs – zu dramatischen Ertragssteigerungen führen könnte. Die Analyse, die am 1. Juni in der Zeitschrift Science Advances veröffentlicht wurde, zeigt anhand von Satellitenbildern zum ersten Mal, wie Stickoxide – Gase, die in Autoabgasen und Industrieemissionen vorkommen – die Produktivität von Pflanzen beeinflussen. Die Ergebnisse haben wichtige Auswirkungen auf die Steigerung der landwirtschaftlichen Produktion und die Analyse der Kosten und Vorteile des Klimaschutzes auf der ganzen Welt.

“Stickstoffoxide sind für den Menschen unsichtbar, aber neue Satelliten können sie mit unglaublicher Präzision kartieren. Da wir vom Weltraum aus auch die Pflanzenproduktion messen können, eröffnete sich die Chance, unser Wissen darüber, wie sich diese Gase auf die Landwirtschaft in verschiedenen Regionen auswirken, rasch zu verbessern”, sagte der Hauptautor der Studie, David Lobell, der Gloria and Richard Kushel Director des Stanford Center on Food Security and the Environment.

Ein NOx-reiches Problem

Stickoxide oder NOx gehören zu den am meisten emittierten Schadstoffen der Welt. Diese Gase können die Zellen von Nutzpflanzen direkt schädigen und indirekt durch ihre Rolle als Vorläufer für die Bildung von Ozon, einem Luftgift, das bekanntermaßen die Ernteerträge verringert, und von Feinstaub-Aerosolen, die das Sonnenlicht absorbieren und von den Nutzpflanzen wegstreuen können, auf sie einwirken.

Während Wissenschaftler seit langem über das Schadenspotenzial von Stickstoffoxiden Bescheid wissen, ist über ihre tatsächlichen Auswirkungen auf die landwirtschaftliche Produktivität nur wenig bekannt. Bisherige Forschungsarbeiten wurden unter anderem dadurch behindert, dass sich Luftüberwachungsstationen und landwirtschaftliche Gebiete nicht überschneiden und die Auswirkungen verschiedener Schadstoffe sich gegenseitig beeinflussen.

Um diese Einschränkungen zu vermeiden, kombinierten Lobell und seine Kollegen Satellitenmessungen des Grüns von Pflanzen und der Stickstoffdioxidwerte für die Jahre 2018-2020. Stickstoffdioxid ist die Hauptform von NOx und ein gutes Maß für die Gesamtmenge an NOx. Obwohl NOx für den Menschen unsichtbar ist, hat Stickstoffdioxid eine ausgeprägte Wechselwirkung mit ultraviolettem Licht, die Satellitenmessungen des Gases mit einer viel höheren räumlichen und zeitlichen Auflösung als bei jedem anderen Luftschadstoff ermöglicht hat.

“Stickstoffdioxid ist nicht nur leichter zu messen als andere Schadstoffe, sondern hat auch den Vorteil, dass es ein Primärschadstoff ist, d. h. es wird direkt emittiert und nicht in der Atmosphäre gebildet”, so Jennifer Burney, Mitautorin der Studie und Professorin für Umweltwissenschaften an der University of California, San Diego. “Das bedeutet, dass der Zusammenhang zwischen Emissionen und Auswirkungen viel einfacher ist als bei anderen Schadstoffen.

Berechnung der Auswirkungen auf die Pflanzen

Auf der Grundlage ihrer Beobachtungen schätzten die Forscher, dass eine Verringerung der NOx-Emissionen um etwa die Hälfte in jeder Region die Erträge um etwa 25 % bei Winterkulturen und 15 % bei Sommerkulturen in China, fast 10 % bei Winter- und Sommerkulturen in Westeuropa und etwa 8 % bei Sommerkulturen und 6 % bei Winterkulturen in Indien verbessern würde. In Nord- und Südamerika war die NOx-Belastung im Allgemeinen am geringsten. Insgesamt schienen die Auswirkungen in den Jahreszeiten und an den Orten am negativsten zu sein, an denen NOx wahrscheinlich zur Ozonbildung beiträgt.

“Die Maßnahmen, die man ergreifen würde, um NOx zu reduzieren, wie z. B. die Elektrifizierung von Fahrzeugen, überschneiden sich eng mit den Arten von Energiewandlungen, die notwendig sind, um den Klimawandel zu verlangsamen und die lokale Luftqualität für die menschliche Gesundheit zu verbessern”, sagte Burney. “Die wichtigste Erkenntnis aus dieser Studie ist, dass der Nutzen dieser Maßnahmen für die Landwirtschaft wirklich beträchtlich sein könnte, genug, um die Herausforderung der Ernährung einer wachsenden Bevölkerung zu erleichtern.

Frühere Untersuchungen von Lobell und Burney schätzten, dass die Verringerung von Ozon, Feinstaub, Stickstoffdioxid und Schwefeldioxid zwischen 1999 und 2019 zu etwa 20 % des Anstiegs der Mais- und Sojabohnenerträge in den USA in diesem Zeitraum beigetragen hat – ein Betrag im Wert von etwa 5 Milliarden US-Dollar pro Jahr.

Künftige Analysen könnten andere Satellitenbeobachtungen einbeziehen, darunter die mittels solarinduzierter Fluoreszenz gemessene photosynthetische Aktivität, um die Auswirkungen von Stickstoffdioxid auf die unterschiedliche Empfindlichkeit der Pflanzen gegenüber diesem Gas während der gesamten Vegetationsperiode besser zu verstehen, so die Forscher. Ebenso könnte eine detailliertere Untersuchung anderer Schadstoffe wie Schwefeldioxid und Ammoniak sowie meteorologischer Variablen wie Trockenheit und Hitze dazu beitragen zu erklären, warum Stickstoffdioxid die Pflanzen in verschiedenen Regionen, Jahren und Jahreszeiten unterschiedlich beeinflusst.

“Es ist wirklich aufregend, wie viele verschiedene Dinge jetzt von Satelliten aus gemessen werden können, wobei ein Großteil davon von neuen europäischen Satelliten stammt”, sagte die Mitautorin der Studie, Stefania Di Tommaso, eine Forschungsdatenanalystin am Stanford Center on Food Security and the Environment. “Je besser die Daten werden, desto ehrgeiziger und kreativer müssen wir als Wissenschaftler bei der Art der Fragen sein, die wir stellen”.

Diese Forschung wurde von der NASA und der National Science Foundation finanziert.

Datum: Juni 1, 2022
Quelle: Universität Stanford


Journal Reference:

  1. David B. Lobell, Stefania Di Tommaso, Jennifer A. Burney. Globally ubiquitous negative effects of nitrogen dioxide on crop growthScience Advances, 2022; 8 (22) DOI: 10.1126/sciadv.abm9909

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