Um das sich ändernde Klima der Erde zu verstehen, wenden sich Wissenschaftler oft wissenschaftlich fundierten Computersimulationen zu. Die Forscher bemühen sich, diese Erdsystemmodelle so genau wie möglich zu machen. Faktoren wie Windströmungen, Luftqualität und Wettermuster spielen alle eine Rolle. Aber die aktuelle Modellierung hat oft eine wichtige Aktivität übersehen: die Landwirtschaft.
Jetzt veröffentlichten Forschungsergebnisse des Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) in Journal of Geophysical Research: Biogeowissenschaften hat festgestellt, dass eine realistischere Darstellung der Wirkung landwirtschaftlicher Nutzpflanzen in einem Erdsystemmodell die Fähigkeiten des Modells um 40 Prozent steigern kann.
„Die Unterschiede zwischen Beobachtungen und früheren Modellergebnissen waren ziemlich groß“, sagte PNNL-Erdwissenschaftler Ben Bond-Lamberty. „Unser neuer Ansatz trägt dazu bei, Verzerrungen und Fehler aus dem Modell zu entfernen. Das bedeutet, dass es einfacher sein sollte, den Fingerabdruck des Klimawandels in den Kohlenstoffflüssen aus diesen Gebieten zu erkennen.“
Es ist allgemein bekannt, dass die Landwirtschaft eine wichtige Rolle im Kohlenstoffkreislauf spielt. Durch Photosynthese nehmen Pflanzen Kohlendioxid aus der Luft auf und ernähren sich damit von sich selbst und schließlich von uns. Während alle Kulturpflanzen zum Kohlenstoffkreislauf beitragen, können sich ändernde landwirtschaftliche Prozesse die Menge der Kohlenstoffaufnahme erheblich beeinflussen. Tatsächlich besteht ein möglicher Weg zur Eindämmung des Klimawandels darin, die Landwirtschaft zu nutzen, um mehr Kohlendioxid einzufangen.
„Die Landwirtschaft beeinflusst sowohl das lokale als auch das regionale Klima“, sagte Eva Sinha, PNNL-Erdwissenschaftlerin und Hauptautorin der Studie. „Das macht es zu einem wichtigen Bestandteil von Klimamodellen. Je besser wir die Realität der Landwirtschaft abbilden können, von der Art der Kulturpflanzen bis hin zu Landbewirtschaftungspraktiken, desto genauer werden unsere Klimaprognosen sein.“
Modellierung ist wichtig
Die Modellierung ist ein wesentliches Werkzeug zur Untersuchung des Klimas. Historische Wettermuster helfen Forschern, auf vergangene Klimamuster zurückzublicken, aber um die Zukunft zu verstehen, müssen verschiedene mögliche Ergebnisse prognostiziert werden. Erdsystemmodelle sind die einzige Möglichkeit, verschiedene mögliche Klimazukünfte weltweit hochauflösend zu projizieren. Je genauer sie reale Bedingungen widerspiegeln, desto besser können sie Vorhersagen treffen. Das PNNL-geführte Team führte die Fruchtfolge in die Landkomponente des Energie-Exascale-Erdsystemmodells des Energieministeriums ein. Forscher verwenden dieses Modell, um das globale Klima zu untersuchen, einschließlich seiner Wechselwirkungen mit der energierelevanten Wissenschaft.
Zuvor behandelten die Simulationen alle Ackerflächen das ganze Jahr über gleich. Die neue Darstellung ermöglichte es dem Team, verschiedene Arten der Landnutzung widerzuspiegeln, insbesondere die Mais-Sojabohnen-Fruchtfolgen, die häufig im Mittleren Westen der USA angebaut werden. Als das Forschungsteam das Modell mit dargestellter Fruchtfolge durchführte, lagen die Ergebnisse für den Kohlenstoffaustausch zwischen den Pflanzen und der Luft deutlich näher an den beobachteten Werten.
Beobachtete Werte spielen eine wichtige Rolle bei der Bewertung von Modellergebnissen. Ein genaues Modell sollte mit den richtigen Eingaben Ergebnisse liefern, die den Beobachtungen relativ nahe kommen. Da die Modellergebnisse durch die Einbeziehung verschiedener Pflanzendarstellungen den beobachteten Werten deutlich näher kamen, wird das Modell wahrscheinlich genauere Darstellungen des zukünftigen Kohlenstoffkreislaufs liefern.
„Wir glaubten, dass eine genauere Darstellung von Nutzpflanzen das Modell verbessern würde“, sagte Sinha. „Aber wir haben nicht erwartet, dass es so viel besser wird.“
Ernten managen, Kohlenstoff managen
Während Forscher das Klima für das 21. Jahrhundert und darüber hinaus vorhersagen, konzentrieren sie sich auf verbleibende Unsicherheiten. Viele Möglichkeiten, wie sich menschliches Verhalten auf das Klima auswirkt, sind sowohl schlecht verstanden als auch schwierig zu modellieren. Die landwirtschaftliche Bewirtschaftung fällt unter beide Kategorien.
Die Erhöhung der Modellgenauigkeit könnte erhebliche Auswirkungen auf das Verständnis haben, wie sich der landgestützte Kohlenstoffkreislauf in unterschiedlichen Klimazukünften verändert. Pflanzen können als natürliche Kohlenstoffsenke fungieren. Das Verständnis, wie sich verschiedene Pflanzen und landwirtschaftliche Praktiken auf den Kohlenstoffkreislauf auswirken, kann Forschern dabei helfen, besser zu erkennen, welche Änderungen des Kohlenstoffkreislaufs auf den Klimawandel zurückzuführen sind und welche Änderungen von verschiedenen landwirtschaftlichen Praktiken herrühren können.
Das Team plant zu untersuchen, wie sich landwirtschaftliche Entscheidungen auf die Kohlenstoffmenge in der Atmosphäre auswirken – Vergangenheit, Gegenwart und Zukunft. „Wir wollen verstehen, was passiert, wenn wir Pflanzen zu einem Teil der Lösung machen“, sagte Bond-Lamberty. „Die Modellierung kann uns helfen zu verstehen, welche Entscheidungen die größten Auswirkungen haben werden.“
Mehr Informationen:
Eva Sinha et al, The Impact of Crop Rotation and Spatially Variing Crop Parameters in the E3SM Land Model (ELMv2), Journal of Geophysical Research: Biogeowissenschaften (2023). DOI: 10.1029/2022JG007187