Studie zeigt, dass weniger Luftverschmutzung zu höheren Ernteerträgen führt

Normalerweise hängt die Steigerung der landwirtschaftlichen Produktivität von der Zugabe von etwas ab, z. B. Dünger oder Wasser. Eine neue, von der Stanford University geleitete Studie zeigt, dass die Beseitigung einer bestimmten Sache – eines weit verbreiteten Luftschadstoffs – zu dramatischen Steigerungen der Ernteerträge führen könnte. Die Analyse, veröffentlicht am 1. Juni in Wissenschaftliche Fortschritte, verwendet Satellitenbilder, um zum ersten Mal aufzuzeigen, wie Stickoxide – Gase, die in Autoabgasen und Industrieemissionen vorkommen – die Pflanzenproduktivität beeinflussen. Seine Ergebnisse haben wichtige Auswirkungen auf die Steigerung der landwirtschaftlichen Produktion und die Analyse von Kosten und Nutzen der Abschwächung des Klimawandels auf der ganzen Welt.

„Stickoxide sind für den Menschen unsichtbar, aber neue Satelliten konnten sie mit unglaublich hoher Präzision kartieren. Da wir die Pflanzenproduktion auch aus dem Weltraum messen können, eröffnete sich die Chance, unser Wissen darüber, wie diese Gase die Landwirtschaft in unterschiedlichen Bereichen beeinflussen, schnell zu verbessern Regionen“, sagte der Hauptautor der Studie, David Lobell, Direktor von Gloria und Richard Kushel des Stanford Center on Food Security and the Environment.

Ein NOx-artiges Problem

Stickoxide oder NOx gehören zu den weltweit am häufigsten emittierten Schadstoffen. Diese Gase können Pflanzenzellen direkt schädigen und sie indirekt durch ihre Rolle als Vorläufer für die Bildung von Ozon, einem in der Luft befindlichen Toxin, das dafür bekannt ist, dass es die Ernteerträge verringert, und Partikelaerosole, die Sonnenlicht absorbieren und von den Pflanzen wegstreuen können, beeinflussen.

Während Wissenschaftler das Schadenspotenzial von Stickoxiden seit langem allgemein verstehen, ist wenig über ihre tatsächlichen Auswirkungen auf die landwirtschaftliche Produktivität bekannt. Frühere Forschungen waren neben anderen Herausforderungen für die bodengestützte Analyse durch fehlende Überschneidungen zwischen Luftüberwachungsstationen und landwirtschaftlichen Gebieten und durch verwirrende Effekte verschiedener Schadstoffe begrenzt.

Um diese Einschränkungen zu vermeiden, kombinierten Lobell und seine Kollegen Satellitenmessungen der Pflanzengrünheit und des Stickstoffdioxidgehalts für 2018-2020. Stickstoffdioxid ist die primäre Form von NOx und ein gutes Maß für Gesamt-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 messbar als andere Schadstoffe, sondern hat auch die nette Eigenschaft, ein Hauptschadstoff zu sein, was bedeutet, dass es direkt emittiert und nicht in der Atmosphäre gebildet wird“, sagte die Co-Autorin der Studie, Jennifer Burney, außerordentliche Professorin für Umwelt Naturwissenschaften an der University of California, San Diego. „Das bedeutet, dass die Zuordnung von Emissionen zu Auswirkungen viel einfacher ist als bei anderen Schadstoffen.“

Auswirkungen auf die Ernte berechnen

Basierend auf ihren Beobachtungen schätzten die Forscher, dass eine Reduzierung der NOx-Emissionen um etwa die Hälfte in jeder Region die Erträge um etwa 25 % für Winterkulturen und 15 % für Sommerkulturen in China und fast 10 % für Winter- und Sommerkulturen in Westeuropa verbessern würde. und ungefähr 8 % für Sommerkulturen und 6 % für Winterkulturen in Indien. Nord- und Südamerika hatten im Allgemeinen die niedrigsten NOx-Expositionen. Insgesamt schienen die Auswirkungen in Jahreszeiten und an Orten am negativsten zu sein, an denen NOx wahrscheinlich die Ozonbildung antreibt.

„Die Maßnahmen, die Sie ergreifen würden, um NOx zu reduzieren, wie die Elektrifizierung von Fahrzeugen, überschneiden sich eng mit den Arten der Energieumwandlung, die erforderlich 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 die landwirtschaftlichen Vorteile dieser Maßnahmen wirklich erheblich sein könnten, genug, um die Herausforderung der Ernährung einer wachsenden Bevölkerung zu bewältigen.“

Frühere Untersuchungen von Lobell und Burney haben geschätzt, dass die Reduzierung von Ozon, Feinstaub, Stickstoffdioxid und Schwefeldioxid zwischen 1999 und 2019 etwa 20 % des Anstiegs der US-Mais- und Sojabohnenertragsgewinne in diesem Zeitraum ausmachte – ein Betrag im Wert von etwa 5 Milliarden US-Dollar pro Jahr Jahr.

Zukünftige Analysen könnten andere Satellitenbeobachtungen einbeziehen, einschließlich der photosynthetischen Aktivität, die durch sonneninduzierte Fluoreszenz gemessen wird, um die Auswirkungen von Stickstoffdioxid auf die unterschiedliche Empfindlichkeit von Pflanzen gegenüber dem Gas während der Vegetationsperiode besser zu verstehen, so die Forscher. In ähnlicher Weise könnte eine detailliertere Untersuchung anderer Schadstoffe wie Schwefeldioxid und Ammoniak sowie meteorologischer Variablen wie Dürre und Hitze helfen zu erklären, warum Stickstoffdioxid Pflanzen in verschiedenen Regionen, Jahren und Jahreszeiten unterschiedlich beeinflusst.

„Es ist wirklich aufregend, wie viele verschiedene Dinge jetzt von Satelliten gemessen werden können, viele davon stammen von neuen europäischen Satelliten“, sagte die Co-Autorin der Studie, Stefania Di Tommaso, eine Forschungsdatenanalystin am Stanford Center on Food Security and the Environment. „Da die Daten immer besser werden, treibt uns das wirklich dazu, als Wissenschaftler bei der Art der Fragen, die wir stellen, ehrgeiziger und kreativer zu sein.“