Die Fähigkeit des Bodens, Wasser zu halten, wird entscheidend dafür sein, wie gut Farmen in einigen Regionen der Vereinigten Staaten das Problem des anhaltenden Hitzestresses aufgrund des Klimawandels bewältigen, so eine neue Studie. Das Tagebuch Grenzen in nachhaltigen Ernährungssystemen veröffentlichte das Ergebnis auf der Grundlage von Analysen von 30 Jahren Daten zu vier großen US-Kulturen – Mais, Sojabohnen, Baumwolle und Weizen.
„Während Landwirte durch den Klimawandel mit extremeren Wetterereignissen konfrontiert sind, müssen sie sich gleichzeitig mit dem wachsenden Problem der Bodendegradation auseinandersetzen“, sagt Debjani Sihi, Erstautorin der Studie und Assistenzprofessorin am Department of Environmental Sciences der Emory University.
Sihi ist ein Biogeochemiker, der Umwelt- und Nachhaltigkeitsfragen an der Schnittstelle von Boden, Klima, Gesundheit und Politik untersucht.
Laut Sihi und ihren Co-Autoren waren 2019 weltweit 750 Millionen Menschen aufgrund der Auswirkungen des Klimawandels unterernährt, darunter ein Rückgang der Lebensmittelproduktion, steigende Lebensmittelpreise und ein zunehmender Wettbewerb um Land und Wasser. Und das Problem der globalen Ernährungssicherheit wird sich voraussichtlich verschärfen. Es wird prognostiziert, dass die weltweiten Ernteerträge aufgrund des Klimawandels innerhalb der nächsten 25 Jahre insgesamt um 25 % zurückgehen werden, und dennoch müsste sich die weltweite Nahrungsmittelproduktion bis 2050 verdoppeln, um das prognostizierte Wachstum der menschlichen Bevölkerung zu ernähren.
„Die Gesunderhaltung des Bodens ist eine Schlüsselkomponente, die für die Anpassung an die Klimakrise erforderlich ist“, sagt Sihi.
Gesunder Boden enthält Mikroben, die die Nährstoffe liefern, die gesunde Pflanzen zum Wachsen benötigen, erklärt sie, und gleichzeitig dazu beitragen, dass die pflanzliche Nahrung, die wir essen, nahrhafter wird. Das Vorhandensein dieser Mikroben verbessert auch die Fähigkeit des Bodens, Kohlenstoff zu binden. Die oberen 30 Zentimeter des Erdbodens enthalten etwa doppelt so viel Kohlenstoff wie die gesamte Atmosphäre, was den Boden nach Angaben der Ernährungs- und Landwirtschaftsorganisation der Vereinten Nationen zur zweitgrößten natürlichen Kohlenstoffsenke nach den Ozeanen macht.
Der Anstieg der Durchschnittstemperaturen trägt jedoch in einigen Gebieten zu einem Rückgang der Bodenfeuchte bei, was die Pflanzenproduktion beeinträchtigen und den Boden langfristig schädigen kann.
Für das aktuelle Papier versuchten die Forscher, die langfristigen Auswirkungen von Klima- und Bodeneigenschaften auf die Erträge von Mais, Sojabohnen, Baumwolle und Weizen auf dem gesamten Festland der Vereinigten Staaten zu quantifizieren. Sie stützten sich auf Daten des US-Landwirtschaftsministeriums von 1981 bis 2015 auf Bezirksebene. Ihr Datensatz enthielt Niederschlagsraten und die Akkumulation von durchschnittlichen Tagestemperaturen während der Vegetationsperiode einer Kultur, die als Wachstumsgradtage bekannt sind. Die Daten berücksichtigten auch Bodenvariationen, einschließlich Wasserhaltekapazität, Textur organischer Substanz (Anteil an Sand, Schluff und Ton), pH-Wert, Neigung, Erodierbarkeit und Toleranz gegenüber Bodenverlust.
Die Forscher verwendeten einen erklärbaren maschinellen Lernansatz, um die Auswirkungen jeder dieser Klima- und Bodenvariablen auf die Ernteerträge zu bewerten.
Die Ergebnisse heben Wachstumsgradtage als den wichtigsten Klimafaktor und die Wasserhaltekapazität als die einflussreichste Bodeneigenschaft für die Variabilität des Ernteertrags hervor.
„Die Botschaft zum Mitnehmen“, sagt Sihi, „ist, dass Landwirte in Regionen, die zusätzlichem Hitzestress für ihre Pflanzen ausgesetzt sind, sich möglicherweise proaktiv auf die Wasserspeicherkapazität ihrer Böden konzentrieren sollten.“
Tonböden und Böden, die reich an organischem Material sind, halten Wasser besser als Sandböden, erklärt sie. Farmen mit Sandboden oder mit Böden, die weniger organisches Material enthalten, möchten möglicherweise weitere Änderungen hinzufügen, um die Wasserspeicherkapazität des Landes zu verbessern. Eine weitere mögliche Anpassung besteht darin, mehr Mulch zu verwenden, um die Verdunstung zu verringern.
Die Forscher hoffen, dass ihre Ergebnisse Landwirten, Landbewirtschaftungsspezialisten und politischen Entscheidungsträgern bei der Entscheidungsfindung in Bezug auf nachhaltige und langfristige Boden-, Wasser- und Pflanzenbewirtschaftungspraktiken helfen werden.
Debjani Sihi et al, Explainable Machine Learning Approach Quantified the Long-Term (1981–2015) Impact of Climate and Boden Properties on Yields of Major Agricultural Crops Across CONUS, Grenzen in nachhaltigen Ernährungssystemen (2022). DOI: 10.3389/fsufs.2022.847892