Erwärmung des Klimas führt zu verringerter Maisproduktion; Bewässerung erwartet, um Wirkung abzustumpfen

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 laut einer neuen Studie von Forschern der Pennsylvania State University (Penn State) zurückgehen.

Sie bewerteten die potenziellen Auswirkungen von 18 Erwärmungsszenarien, die von verschiedenen atmosphärischen Treibhausgaskonzentrationen diktiert wurden, um die potenziellen Auswirkungen des zukünftigen Klimawandels auf die bewässerten und regengefütterten Maiserträge von den 2020er bis 2090er Jahren zu bestimmen. Obwohl sich die Forschung auf die Great Plains der USA konzentrierte – im Herzen der wichtigsten Maisanbauregion des Landes – wird angenommen, dass die Ergebnisse globale Auswirkungen haben.

Um die Erträge abzuschätzen, verwendeten die Forscher das AquaCrop-Modell – eine Pflanzenwachstumssimulation, die von der Ernährungs- und Landwirtschaftsorganisation der Vereinten Nationen entwickelt wurde – um die Auswirkungen von Umwelt und Bewirtschaftung auf die Pflanzenproduktion zu bewerten und die Ertragsreaktion auf Wasser vorherzusagen. Das Studiengebiet ist repräsentativ für landwirtschaftliche Bewirtschaftungspraktiken in der Region und repräsentiert das am dichtesten bewässerte Gebiet in den Central Plains, einer Unterregion der Great Plains.

Laut dem leitenden Forscher Suat Irmak, Professor und Leiter der Abteilung für Agrar- und Bioingenieurwesen am College of Agricultural Sciences, ist Mais anfällig für Umweltfaktoren wie erhöhte Lufttemperatur, erhöhte Strahlung, Dampfdruckdefizit und Feuchtigkeitsänderungen. Er und sein Team stellten fest, dass die bewässerten Erträge viel weniger beeinträchtigt werden als die mit Regen bewässerten Erträge.

„In unserer Studie sahen wir je nach atmosphärischen Treibhausgaskonzentrationen und dem damit verbundenen Erwärmungsgrad einen Rückgang der Maiserträge von 2,2 bis 21,5 Prozent“, sagte er. „Unter denselben Treibhausgaskonzentrationen war die Bandbreite der Rückgänge bei bewässerten Erträgen geringer – von 3,7 % bis 15,6 %, da Bewässerungstechnologien stabilere Wachstumsbedingungen für Pflanzen unter Wasser- und Temperaturstress bieten.“

Laut dem Zwischenstaatlichen Ausschuss für Klimaänderungen wird sich das globale Klima von heute bis 2040 sehr wahrscheinlich um 2,16 bis 3,42 Grad Fahrenheit erwärmen, erklärte Irmak. Die globale mittlere Oberflächentemperatur war im Zeitraum von 2001 bis 2020 um 1,78 Grad F höher als in der vorindustriellen Zeit von 1850 bis 1900, stellte das Gremium der Vereinten Nationen fest.

Frühere Forschungen von Irmak und anderen haben gezeigt, dass der Klimawandel bereits die Ernteproduktivität wichtiger landwirtschaftlicher Nutzpflanzen in globalen Agrarökosystemen beeinflusst hat. Zuvor stellte Irmak fest, dass Frühlingsfröste aufgrund des Anstiegs der Lufttemperatur früher und Herbstfröste später auftreten. Dies führt zu einer Verlängerung der Vegetationsperiode von bis zu 20 Tagen und mehr, was erhebliche Auswirkungen auf die landwirtschaftliche Produktion in den USA und weltweit hat.

Die Forschung ist wichtig, bemerkte Irmak, weil Mais in vielerlei Hinsicht die wichtigste Ernte des Landes ist. Nach Angaben des US-Landwirtschaftsministeriums macht Mais in den Vereinigten Staaten 92 Millionen Morgen Landnutzung aus. Mit einem kontinuierlichen Anstieg der Lufttemperatur und des Bedarfs an Luftfeuchtigkeit – verbunden mit zunehmend eingeschränkten Wasserversorgungsbedingungen und einer Verschlechterung der Wasserqualität im Mittleren Westen und Westen – könnten wir eine erhebliche Verlagerung der Maisproduktion in die östlichen Regionen der USA sehen, warnte er.

„Diese Analysen können für politische Entscheidungsträger, Entscheidungsträger und Verwalter/Fachleute von Landwirtschafts- und Wasserressourcen wertvoll sein, um die zukünftigen Kompromisse zwischen Bewässerung und regengespeisten Erträgen zu bewerten“, sagte er. „Sie müssen wissen, wie sich Landschaften voraussichtlich unter zwei Szenarien in Bezug auf den Klimawandel verhalten werden.“

In kürzlich veröffentlichten Ergebnissen in Landwirtschaftliche Wasserwirtschaft, berichteten die Forscher, dass auf der Grundlage ihrer Modellierungsergebnisse die Regenerträge um bis zu 40 Scheffel pro Morgen zurückgehen werden, während die bewässerten Erträge voraussichtlich nur um 19 Scheffel pro Morgen zurückgehen werden. Darüber hinaus wird der Ertrag von regengefüttertem Mais bei den meisten globalen Zirkulationsmodellen variabler sein als der Ertrag von bewässertem Mais.

Diese Rückgänge wären schädlich, da Mais wesentlich in unser Leben eingebettet ist, betonte Irmak. Es wird für Tierfutter, den menschlichen Verzehr, die Faserproduktion und die Feldproduktion für Ethanol verwendet. Daher müssten Agrarwissenschaftler die zu erwartenden Produktionsverluste und deren 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 Lebensmittelversorgung auswirken könnte.“

Änderungen der Klimaeigenschaften werden sich voraussichtlich in erhöhten mittleren Lufttemperaturen in den meisten Land- und Meeresregionen manifestieren, mit heißen Extremen, starken Niederschlägen und einer erhöhten Wahrscheinlichkeit von Dürren und Niederschlagsdefiziten, fügte Irmak hinzu. Solche Klimaschocks und -verschiebungen werden sich auf den Ernteertrag, die Anbaufläche und die Nahrungsmittelversorgung auswirken und sich auf die nachhaltige landwirtschaftliche Entwicklung und die Ziele der Armutsbekämpfung auswirken.

„Aber das Ausmaß dieser Veränderungen abzuschätzen ist eine Herausforderung, da Temperaturen und Niederschläge komplexe Auswirkungen auf die Ernteerträge haben, zusammen mit anderen kritischen meteorologischen Variablen“, sagte er. „Dies ist nur mit geeigneten Pflanzenmodellen möglich. Wir werden ähnliche Langzeitanalysen für spezielle Anbausysteme, einschließlich Obstbäume und große Reihenkulturen, auch in Pennsylvania durchführen.“

Diese Studie ist Teil einer Langzeitforschung, die die Grundlagen des gekoppelten Klimawandels und die Auswirkungen von Wasser-, Nährstoff- und Pflanzenmanagementstrategien auf die Produktivität von Agrarökosystemen und Umweltbeziehungen für Anbausysteme untersucht, die Irmak an der University of Nebraska begonnen hat und fortsetzt Pennsylvania.

Zur Forschung beigetragen haben Rupinder Sandhu und Meetpal Kukal, die beide ihren Master- und Doktortitel erlangten und als Postdoktoranden unter Irmaks Anleitung an der University of Nebraska arbeiteten. Kukal ist derzeit wissenschaftlicher Assistenzprofessor in der Abteilung für Agrar- und Bioingenieurwesen an der Penn State, und Sandhu arbeitet bei Locus Agricultural Solutions.