Laut einer aktuellen Studie der University of Illinois Urbana-Champaign könnten Winterzwischenfrüchte die Stickstoffbelastung im landwirtschaftlichen Abwasser von Illinois um bis zu 30 % senken. Aber wie wird sich der zukünftige Klimawandel auf den Stickstoffverlust auswirken und werden Zwischenfrüchte dieser Aufgabe noch gewachsen sein?
Eine neue Studie, die den kurz- und langfristigen Klimawandel in Illinois untersucht, legt nahe, dass Zwischenfrüchte immer noch von Vorteil sein werden, wenn auch nicht in gleichem Maße. Der Bericht prognostiziert auch den Mais- und Sojabohnenertrag im gesamten Bundesstaat und stellt fest, dass Mais weitaus stärker leiden wird als Sojabohnen, insbesondere in den südlichen Regionen.
In ihrer früheren Studie hat das Forschungsteam ein Nutzpflanzensimulationsmodell namens Decision Support System for Agrotechnology Transfer (DSSAT) angepasst, um abzuschätzen, wie effizient Getreideroggen Nitrat aus dem Drainagewasser entfernen könnte, wenn es in ganz Illinois weit verbreitet gepflanzt würde.
In ihrer neuen Studie nutzte das Team DSSAT erneut, um das Wachstum von Getreideroggen sowie Mais und Sojabohnen kurzfristig (2021–2040) und langfristig (2041–2060) unter zwei Klimaszenarien für Illinois vorherzusagen: ein Best-Case-Szenario und ein Business-as-usual-Szenario.
Das Team verfolgte einen schrittweisen Ansatz und modellierte jede Komponente des Systems einzeln, bevor es sie zu einer ganzheitlichen Vorhersage für die Auswirkungen von Zwischenfrüchten unter dem Klimawandel kombinierte.
Zunächst modellierten sie die Auswirkungen des Klimas auf den Ernteertrag und die Biomasse der Zwischenfrüchte. Der Maisertrag ging in den meisten Regionen Illinois, in zukünftigen Zeiträumen und Klimaszenarien zurück, wobei der durchschnittliche Ertrag 11,5 % unter bis 3,8 % über dem aktuellen Durchschnitt lag. Der Sojabohnenertrag stieg jedoch größtenteils in allen Regionen und Szenarien, wobei die Erträge voraussichtlich um bis zu 27,5 % über dem aktuellen Durchschnitt liegen werden. Schließlich prognostizierte das Modell einen Boom der Zwischenfruchtbiomasse infolge des Klimawandels mit einem Anstieg zwischen 25 % und 103 % über den aktuellen Zahlen hinaus.
„Mais und Sojabohnen sind zwei völlig unterschiedliche Nutzpflanzenarten, was sich in unseren Ergebnissen widerspiegelt. Die Ertragsveränderung ist auf mehrere Faktoren zurückzuführen. Abgesehen vom prognostizierten Temperaturanstieg wird die Ertragsreaktion bei jeder Nutzpflanze unterschiedlich durch Veränderungen im Niederschlag beeinflusst.“ Muster und erhöhte CO2-Werte in der Zukunft. Wir haben auch festgestellt, dass Zwischenfrüchte stark von wärmerem Winterwetter profitieren“, sagte der Co-Autor der Studie, Rabin Bhattarai, außerordentlicher Professor am Department of Agricultural and Biological Engineering, einer gemeinsamen Abteilung des College of Agricultural, Consumer and Environmental Sciences (ACES) und das Grainger College of Engineering in Illinois.
Mit Blick auf den Stickstoffverlust durch den Klimawandel prognostizierte das Team für die nahe Zukunft einen um 24 % höheren Verlust, der bis 2060 auf etwa 42 % ansteigen wird.
„Wärmerer Boden bedeutet, dass Mikroben Stickstoff in organischem Material aktiver in Ammonium und dann in Nitrat im Boden umwandeln. Und wenn mehr Nitrat im Boden vorhanden ist, ist das Verlustpotenzial höher“, sagte Bhattarai. „Wir sehen bereits hohe Nährstoffverluste in warmen, feuchten Frühlingen, noch bevor Pflanzen gepflanzt oder Düngemittel ausgebracht werden. Dieser Stickstoff entweicht aus dem Boden selbst.“
Nachdem diese Grundlagen festgelegt waren, begannen die Forscher, Zusammenhänge herzustellen. Zunächst untersuchten sie die Auswirkungen von Zwischenfrüchten auf den Cash-Crop-Ertrag. In ihrer vorherigen DSSAT-Studie stellten die Forscher fest, dass der Anbau von Getreideroggen vor Mais und Sojabohnen einen leicht positiven Effekt auf den Ertrag hatte. Laut Bhattarai fangen Deckfrüchte den ganzen Winter über langsam Bodenstickstoff ab und geben den Nährstoff an die Pflanze zurück, was für einen Wachstumsschub sorgt, wenn sie beendet und in den Boden eingearbeitet werden.
Im Zuge des Klimawandels könnten hungrige Grasnarben von Zwischenfrüchten sowohl Bodenwasser als auch Stickstoff verbrauchen, was sogar zu einer höheren Stickstoffverfügbarkeit führen würde, die in wärmeren Wintern vorhergesagt wird. Am Ende könnte dann die schiere Menge der Biomasse der Zwischenfrüchte den Mineralisierungsapparat des Bodens überfordern und dazu führen, dass ein Teil des Stickstoffs gebunden bleibt und für den Nutzpflanzenanbau nicht verfügbar ist. Obwohl der Ertragsvorteil in zukünftigen Klimaszenarien verschwand, ergab die Analyse jedoch keinen Ertragsnachteil für den Anbau von Zwischenfrüchten.
„Ob Sie Zwischenfrüchte verwenden oder nicht, Sie werden in Zukunft einen Rückgang des Maisertrags erleben. Das Gleiche gilt für Sojabohnen. Sie können den Sojabohnenertrag steigern, unabhängig davon, ob Zwischenfrüchte vorhanden sind oder nicht“, sagte Bhattarai. „Wenn Sie einen Einfluss auf den Cash-Crop-Ertrag sehen, liegt das nicht an der Zwischenfrucht, sondern am sich ändernden Klima.“
Schließlich untersuchte das Team die Auswirkungen von Zwischenfrüchten auf den Stickstoffverlust im Zuge des Klimawandels. Im Vergleich zu den aktuellen Bedingungen, unter denen Deckfrüchte den Drainagestickstoff um etwa 30 % reduzieren, dürften Deckfrüchte in zukünftigen Szenarien weniger effektiv werden, wobei die Reduzierung im langfristigen Worst-Case-Szenario lediglich bei 11 % liegt.
„Sie erhalten nicht den gleichen Nutzen wie jetzt. Sie werden bei den wärmeren Temperaturen ein besseres Wachstum der Zwischenfrüchte sehen, aber die Mineralisierung wird ihre Fähigkeit zur Stickstoffaufnahme übertreffen; mehr Angebot als Nachfrage“, sagte Bhattarai. „Zwischenfrüchte werden helfen; sie werden die Verluste immer noch wirksam reduzieren. Aber die Effizienz wird sinken.“
Er fügte hinzu, dass Landwirte ihre Zwischenfrüchte durch zusätzliche bewährte Bewirtschaftungspraktiken ergänzen müssen, um angesichts des sich ändernden Klimas die Ziele zur Reduzierung des Nährstoffverlusts zu erreichen.
Die Studie ist im veröffentlicht Zeitschrift für Umweltmanagement.
Mehr Informationen:
Rishabh Gupta et al., Nachhaltigkeit der Zwischenfruchtanbaupraxis bei sich änderndem Klima in Illinois, Zeitschrift für Umweltmanagement (2023). DOI: 10.1016/j.jenvman.2023.117946