Brachliegende Ackerflächen könnten im Kampf gegen den Klimawandel eine Rolle spielen. Eine Studie zeigt, wo genau sie liegen

Ackerland ist im Kampf gegen den Klimawandel oft ein Schlachtfeld. Sonnenkollektoren und Energiepflanzen stehen der Nahrungsmittelproduktion gegenüber, während wohlmeinende politische Entscheidungen Landwirte dazu veranlassen können, neues Land zu bestellen, wodurch noch mehr hitzespeichernde Gase in die Atmosphäre freigesetzt werden.

Deshalb konzentrieren sich Strategien für nachhaltige Kraftstoffe auf Pflanzenbasis auf Randflächen – Felder, die zu schwierig zu bewirtschaften sind oder keine ausreichenden Erträge liefern, um als rentabel zu gelten.

Ein neues Instrument, das von Wissenschaftlern der University of Wisconsin–Madison entwickelt wurde, könnte dazu beitragen, diese Spannungen abzubauen.

Unter der Leitung von Yanhua Xie und Tyler Lark, Forschern am Great Lakes Bioenergy Research Center, nutzte das Team maschinelles Lernen, um fast 30 Millionen Hektar seit den 1980er Jahren brachliegendes Ackerland in den USA zu kartieren. So entwickelte es ein Tool, das als Entscheidungshilfe für die Ausbalancierung der Energie- und Nahrungsmittelproduktion dienen kann.

Ihre Erkenntnisse, veröffentlicht im Journal Umweltforschungsbriefeenthalten die bislang detaillierteste Kartierung von ehemals kultiviertem Land in den USA. Sie bieten eine feldgenaue Auflösung von verlassenem Ackerland, auf dem Nutzpflanzen wie Rutenhirse oder Sorghum angebaut werden könnten, die Kohlenstoff im Boden binden und als Rohstoff für Biokraftstoffe und Ersatz für Petrochemikalien dienen können.

„Wenn wir verstehen, wo sich diese Gebiete befinden und welche Merkmale sie aufweisen, können wir ihr wahres Potenzial für Dinge wie den Klimawandel besser einschätzen“, sagt Lark, Wissenschaftler am Center for Sustainability and the Global Environment der University of Wisconsin-Madison.

Lark erforscht den Wandel der Landnutzung und dessen Auswirkungen auf Land- und Wasserressourcen. Dieses Verständnis könne dazu genutzt werden, Investitionen in saubere Energie dorthin zu lenken, wo sie in der geringsten Konkurrenz zu anderen nützlichen Nutzungsmöglichkeiten stehen.

„Das ist eine der wichtigsten Anwendungen“, sagt Lark. „Ob es um Photovoltaik, Agrivoltaik, die Entwicklung von Zellulose-Bioenergie oder einfach die Wiederherstellung natürlicher Ökosysteme geht: Diese Standorte könnten für viele dieser Anwendungen hervorragende Kandidaten sein.“

Die Studie entstand in Zusammenarbeit zwischen Forschern der UW–Madison und der Michigan State University. Die daraus resultierenden Daten sind öffentlich zugänglich im GLBRC interaktiver Atlas des US-amerikanischen Ackerlandes, das auch Trends bei der Ausweitung landwirtschaftlicher Flächen und der Bewässerung abbildet.

Traditionell stützen sich Forscher dabei auf Datensätze wie die Landwirtschaftszählung des US-Landwirtschaftsministeriums (USDA), die alle fünf Jahre Schätzungen zur landwirtschaftlichen Nutzfläche auf Bezirksebene liefert und mit deren Hilfe sich abschätzen lässt, wie viel Land aus der Produktion genommen wurde.

Doch bislang gab es keine Möglichkeit, genau herauszufinden, wo sich dieses Land befand oder wann es aufgegeben wurde.

„Die meisten dieser Schätzungen wurden auf Bezirksebene vorgenommen“, sagt Lark. „Dies ist wirklich die Analyse mit der höchsten verfügbaren Auflösung, die die Landschaft – Feld für Feld, Hektar für Hektar – der Ackerflächen direkt betrachtet.“

Obwohl es Satellitenbilder schon seit Jahrzehnten gibt, war es ohne die jüngsten Fortschritte im Bereich Cloud Computing laut Lark unmöglich, die fast 2 Milliarden Hektar Land in den angrenzenden USA zu klassifizieren.

Um die Analysen des Teams zu erstellen, verwendete Xie, heute Professor an der University of Oklahoma, vorhandene Daten zur Landbedeckung, um einen Computer zu trainieren, diese Bilder zu lesen und Anbaumuster zu erkennen. Anschließend ließen die Forscher diesen Algorithmus Satellitendaten von 1986 bis 2018 analysieren und jedes Pixel kategorisieren, um festzustellen, ob es kultiviert wurde.

Die Ergebnisse sagen in neun von zehn Fällen den genauen Standort aufgegebener Ackerflächen korrekt voraus und ermöglichen sogar die Bestimmung des Jahres der Aufgabe mit einer Genauigkeit von etwa 65 %.

Das Team stellte fest, dass in diesen 32 Jahren mehr als 30 Millionen Hektar Ackerland brach lagen. Die meisten Brachflächen konzentrierten sich auf die Great Plains und entlang des Mississippi zwischen Süd-Illinois und dem Golf von Mexiko.

Diese 30 Millionen Hektar umfassen nicht das bebaute Land, das Lark zufolge wahrscheinlich nie wieder kultiviert wird. Mehr als die Hälfte dieser aufgegebenen Ackerflächen wurde zu Weideland oder Grasland und etwa ein Drittel war entweder Buschland, Wald, Feuchtgebiet oder Brachland.

Lark war überrascht, als er herausfand, dass weniger als ein Fünftel der brachliegenden Flächen in einem offiziellen Naturschutzprogramm wie dem Conservation Reserve Program des US-Landwirtschaftsministeriums erfasst waren, das Landwirte dafür bezahlt, ökologisch sensible Flächen aus der Produktion zu nehmen. Das bedeutet, dass mehr Land als bisher angenommen potenziell für den Anbau von Bioenergiepflanzen genutzt werden könnte.

„Viele gingen davon aus, dass es in diesem ehemaligen Ackerland viele Überschneidungen mit offiziellen Naturschutzprogrammen gibt“, sagt Lark. „Aber wir haben gesehen, dass es sich fast ausschließlich um eigenständige Gewässer handelt.“

Mithilfe der daraus resultierenden Daten können Forscher nun Modelle dafür erstellen, wie viel Biomasse auf diesen Flächen angebaut werden könnte und welches Potenzial diese Flächen haben, um Kohlendioxid aus der Atmosphäre im Boden zu binden.

Die Studie gibt keine Erklärung dafür, warum die Ländereien aufgegeben wurden. „Der nächste Schritt besteht darin, die Ursachen herauszufinden“, sagt Lark.

Zu diesem Zweck, so Lark, könne das Team auch andere Informationen wie sozioökonomische Daten und Steuerunterlagen heranziehen, um ein besseres Gespür dafür zu entwickeln, was auf der Parzellenebene vor sich geht – etwa, ob ein Bauer ein Feld aus der Produktion genommen oder den gesamten Hof verkauft hat. Auf dieser Grundlage könne das Team potenzielle Verwendungsmöglichkeiten für das Land ermitteln.

„Wenn sie viel Heu anbauen, lässt sich das wahrscheinlich leichter als Ausgangsstoff für Zellulose-Biokraftstoffe verwenden, weil sie vielleicht schon über die Ausrüstung verfügen … und man könnte dann auch etwas wie Rutenhirse ernten“, sagt Lark. „Wenn es irgendwo ist, wo es überhaupt keine landwirtschaftliche Produktion mehr gibt, könnte das schwieriger sein, aber vielleicht ist es besser für eine Solaranlage geeignet.“