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Warum funktionieren Ertragsmodelle nicht überall?

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Ertragsmodelle simulieren das Wachstum landwirtschaftlicher Kulturen und helfen, Erträge vorherzusagen. Sie werden eingesetzt, um die Auswirkungen des prognostizierten Klimawandels auf die landwirtschaftliche Produktion abzuschätzen und um mögliche Strategien der Anpassung virtuell zu testen.

Während die direkten Folgen des Klimawandels uns oft als eine zunehmende Summe heißer Tage und tropischer Nächte oder in Form sich verlängernder Dürreperioden näher gebracht werden, übersetzen Ertragsmodelle die Simulationen der Klimamodelle in produktionsrelevante Größen.

Diese Modelle basieren auf den Prinzipien der Physik und beschreiben mathematisch die physiologischen Prozesse in einer Pflanze und die Prozesse des Wasser- und Nährstofftransports im Boden. Wenn die Physik überall auf der Erde gleich funktioniert, so die Idee, dann können auch Ertragsmodelle für alle Anbausysteme dieser Welt angewendet werden. Die Praxis zeigt jedoch, das Ertragsmodelle nicht ohne weiteres von einer Region in eine andere übertragbar sind. Insbesondere bei der Beschreibung der Bodenprozesse zeigen die Modelle Defizite. So können Modelle beispielsweise die Freisetzung von Stickstoff – dem wichtigsten, über die Wurzel aufgenommenen Pflanzennährstoff – aus dem Humus im Boden für die gemäßigten Breiten in Europa und Nordamerika sehr gut simulieren, versagen aber in der Anwendung in subtropischem Klima.

Wissenschaftler des Leibniz-Zentrums für Agrarlandschaftsforschung (ZALF) e.V. in Müncheberg sind diesem Umstand schon lange auf der Spur. Seit kurzem sind sie einen Schritt weiter: in einer heute veröffentlichten Studie des Fachjournals „Scientific Reports“ berichten die Müncheberger Forscher über eine umfassende Auswertung von weltweiten Versuchen zur Mineralisation von Humus in landwirtschaftliche genutzten Böden. Dabei stellt sich heraus, dass in heißen und feuchten Klimazonen ein weit größerer Anteil des Humus nicht von Mikroorganismen umgesetzt wird als in den gemäßigten oder trockenen Klimazonen. „Die schnelle Verwitterung des Gesteins hat unter heißen und feuchten Bedingungen über Jahrtausende oft tonreiche Böden mit hohen Anteilen an Eisen- und Aluminiumoxiden entstehen lassen. In diesen Böden werden organische Humusbestandteile sehr viel stärker gebunden und vor dem Abbau durch Mikroorganismen geschützt“, erklärt Studienleiter und Hauptautor Dr. Claas Nendel vom ZALF.

Das hat Konsequenzen für die Ernährung der Pflanzen, denn bei geringerem Humusumsatz werden auch weniger Nährstoffe freigesetzt. „Diesen Unterschied machen Ertragsmodelle derzeit noch nicht“, berichtet Dr. Nendel, „so dass sie in den Simulationen die Nährstoffversorgung von tropischen und subtropischen Ackerkulturen überschätzen.“ Das beeinträchtigt die modellgestützte Abschätzung der Ertragsleistung von kleinbäuerlichen Anbausystemen in Afrika oder Südostasien, die oftmals ohne mineralischen Dünger auskommen. Dr. Nendels Arbeitsgruppe am ZALF arbeitet nun daran, die entsprechenden Algorithmen für Ertragsmodelle zu entwickeln, so dass auch kleinbäuerliche Landwirtschaft demnächst in Simulationen wirklichkeitsnah repräsentiert werden kann.

 

Zum Artikel in Nature.

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© Leibniz-Zentrum für Agrarlandschaftsforschung (ZALF) e. V. Müncheberg