Der CO2-Düngeeffekt: Unterschied zwischen den Versionen
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Kohlendioxid (CO<sub>2</sub>) ist das wichtigste vom Menschen in die Atmosphäre emittierte Treibhausgas. Es ist hauptverantwortlich für die globale Erwärmung. Von den CO<sub>2</sub>-Emissionen aus der Verbrennung fossiler Rohstoffe, der Landnutzungsänderung und anderen menschlichen Aktivitäten verbleiben in der Atmosphäre aber nur etwas weniger als die Hälfte, während der Rest von der Landoberfläche | Kohlendioxid (CO<sub>2</sub>) ist das wichtigste vom Menschen in die Atmosphäre emittierte Treibhausgas. Es ist hauptverantwortlich für die globale Erwärmung. Von den CO<sub>2</sub>-Emissionen aus der Verbrennung fossiler Rohstoffe, der Landnutzungsänderung und anderen menschlichen Aktivitäten verbleiben in der Atmosphäre aber nur etwas weniger als die Hälfte, während der Rest von der Landoberfläche (von Böden und der Vegetation) und vom Ozean aufgenommen wird. Die Zunahme der atmosphärischen Konzentration von Kohlendioxid besitzt einerseits einen direkten Einfluss auf die meisten Pflanzen der Erde und damit auch auf die vom Menschen angebauten Kulturpflanzen, indem sie die Photosynthese und damit das Pflanzenwachstum verstärkt. Kohlendioxid wirkt auf die Pflanzen durch den Klimawandel aber auch indirekt. Höhere Temperaturen, mehr und stärkere Extremereignisse besitzen unterschiedlich Auswirkungen, je nach dem, um welche Pflanzen es sich handelt und in welchen Klimazonen und Regionen sie wachsen. | ||
== Die direkte Wirkung von CO<sub>2</sub> == | == Die direkte Wirkung von CO<sub>2</sub> == | ||
Aktuelle Version vom 8. Mai 2026, 19:32 Uhr
Kohlendioxid (CO2) ist das wichtigste vom Menschen in die Atmosphäre emittierte Treibhausgas. Es ist hauptverantwortlich für die globale Erwärmung. Von den CO2-Emissionen aus der Verbrennung fossiler Rohstoffe, der Landnutzungsänderung und anderen menschlichen Aktivitäten verbleiben in der Atmosphäre aber nur etwas weniger als die Hälfte, während der Rest von der Landoberfläche (von Böden und der Vegetation) und vom Ozean aufgenommen wird. Die Zunahme der atmosphärischen Konzentration von Kohlendioxid besitzt einerseits einen direkten Einfluss auf die meisten Pflanzen der Erde und damit auch auf die vom Menschen angebauten Kulturpflanzen, indem sie die Photosynthese und damit das Pflanzenwachstum verstärkt. Kohlendioxid wirkt auf die Pflanzen durch den Klimawandel aber auch indirekt. Höhere Temperaturen, mehr und stärkere Extremereignisse besitzen unterschiedlich Auswirkungen, je nach dem, um welche Pflanzen es sich handelt und in welchen Klimazonen und Regionen sie wachsen.
Die direkte Wirkung von CO2
Bei der Photosynthese wird von Pflanzen unter Verwendung von Sonnenenergie aus Wasser und Kohlendioxid biologische Substanz gebildet. Ein Teil des aufgenommenen Kohlendioxids wird durch Atmung (Respiration) wieder an die Atmosphäre abgegeben. Eine höhere CO2-Konzentration verstärkt die Photosynthese und damit die Bildung von Biomasse. Das ist besonders bei C3-Pflanzen wie Weizen, Roggen, Reis, Kartoffeln u.a. der Fall. C4-Pflanzen wie Mais, Zuckerrohr und Hirse reagieren auf einen CO₂-Anstieg unter normalen Bedingungen nicht mit einer stärkeren Photosynthese. C3-Pflanzen sind an das Klima der mittleren und hohen Breiten angepasst. C4-Pflanzen wachsen zumeist unter tropischen und subtropischen Bedingungen. Sie sind daher an trockene Bedingungen angepasst und profitieren vom CO2-Düngeeffekt hauptsächlich unter Dürrestress.[1]
Pflanzen tauschen Kohlendioxid und Wasser über die Spaltöffnungen der Blätter (die Stomata) mit der Atmosphäre aus. Bei einem höheren CO2-Angebot sind bei C3- und C4-Pflanzen die Stomata weniger stark geöffnet und verdunsten damit weniger Wasser. Das minimiert den Wasserverlust sowohl bei C3- als auch bei C4-Pflanzen.[1] Die Pflanzen haben eine bessere Wassernutzungseffizienz, was in Trockenzeiten sehr wichtig ist. Allerdings kann das auch ein Nachteil bei hohen Temperaturen sein. Bei einer geringeren Transpiration (Verdunstung) fällt die Kühlung der Blätter weg und es kann zu Hitzestress kommen.
Dass Kulturpflanzen auf den Feldern tatsächlich durch eine höhere CO2-Konzentration besser wachsen, ist durch zahlreiche Experimente im Freien nachgewiesen worden. So hat Ertrag nach einer Auswertung von 186 Studien über 18 C3-Pflanzenarten bei einer Erhöhung der CO2-Konzentration um ca. 200 ppm und bei ausreichender Wasser- und Nährstoffversorgung um 18% zugenommen. Weizen und Reis lagen mit jeweils 14% etwas darunter.[2] Satellitendaten zeigen eine Zunahme der Brutto-Primärproduktion (BPP) als Reaktion auf einen Anstieg der atmosphärischen CO2-Konzentration um 100 ppm über den Zeitraum von 1982 bis 2015 um 15,5%. Dabei war die Zunahme in den ersten Jahrzehnten stärker und schwächte sich im neuen Jahrhundert ab.[3]
Bei C4-Pflanzen wurden durch eine Erhöhung der atmosphärischen CO2-Konzentration von 400 auf 550 ppm in Freiluftexperimenten in Abwesenheit von Trockenstress keine Ertragssteigerungen bei erhöhter CO2-Konzentration festgestellt. Nur bei anhaltender Dürre nahm der Maisertrag bei einem Anstieg der CO₂-Konzentration bei einigen Experimenten um 20 % zu. Im Mittel über unterschiedliche Wetterlagen wiesen Mais und Sorghum eine leichte Abnahme der Erträge von -3,0% auf.[2]
Nährstoffmangel
Die Zunahme der Biomasse bei den meisten Kulturpflanzen hat zwar höhere Ernten zur Folge. Deren Qualität nimmt aber durch das beschleunigte Wachstum der Pflanzen ab. Zahlreiche Studien haben gezeigt, dass die Konzentration wichtiger Proteine und Mineralstoffe wie Eisen und Zink bei einer erhöhten CO2-Konzentration geringer gewordn ist. Bei Gerste, Kartoffeln, Reis und Weizen ging die Proteinkonzentration um 10-15% zurück. Eisen und Zink nahmen bei Gemüse um 16 bzw. 9,4% ab. Um 2050 könnten bei einer CO2-Konzentration von 550 ppm zusätzlich 122 Millionen Menschen an Proteinmangel und 175 Millionen an Zinkmangel leiden. Besonders Kinder unter 5 Jahren und Schwangere gelten unter dem Nährstoffmangel als gefährdet. Schon heute werden 2,2 Millionen Todesfälle jährlich bei Kindern unter 5 Jahren mit einer schlechten Nährstoffversorgung in Verbindung gebracht.[4]
Indirekte CO2-Wirkung
Wie eingangs betont wirkt die höhere CO2-Konzentration nicht nur direkt über den CO2-Düngeeffekt auf den Anbau von Nahrungsmitteln, sondern auch indirekt über den Klimawandel mit seinen Folgen häufigerer und intensiverer Extremereignisse. Höhere Temperaturen, Hitzewellen, Dürren, Starkregen und Überschwemmungen, klimabedingte Zunahmen von Unkräutern, Krankheitserregern und Schädlingen wirken dem CO2-Düngeeffekt entgegen. Auf etwa 75 % der weltweit bewirtschafteten Anbaufläche traten in den letzten Jahrzehnten dürrebedingte Ernteausfälle auf. Hitzewellen haben die Erträge von Weizen und Reis verringert. Die kombinierten Auswirkungen von Hitze und Dürre reduzierten die globalen Durchschnittserträge von Mais, Sojabohnen und Weizen um 11,6 %, 12,4 % bzw. 9,2 %. In Europa haben sich die Ernteausfälle infolge von Dürre und Hitze in den letzten fünf Jahrzehnten verdreifacht. Weltweit nahmen in den vergangenen 50 Jahren auch Überschwemmungen zu, mit direkten Schäden an den Kulturpflanzen und reduzierten Erträge wie z.B. bei der großen Flutkatastrophe in Pakistan im Jahr 2010, die Schäden von 4,5 Mrd. USD zur Folge hatten.[5]
Perspektiven
Die Weltbevölkerung wird voraussichtlich auf über 9 Milliarden im Jahr 2050 ansteigen. Angesichts des Bevölkerungswachstums wird eine Zunahme der globalen Pflanzenproduktion um 30–62 % erforderlich sein, um den zukünftigen Nahrungsmittelbedarf bis 2050 im Vergleich zu 2010 zu decken. Mehr als 295 Millionen Menschen leiden jetzt schon unter akutem Hunger.[6] Der CO2-Düngeeffekt könnte dabei helfen, mehr Nahrungsmittel zu produzieren. Es ist jedoch unklar, ob der Effekt über mehrere Jahrzehnte und unter den künftig zu erwartenden Klimabedingungen anhalten wird. Ein großer Unsicherheitsfaktor ist die hinreichende Versorgung der Pflanzen mit Stickstoffdünger.[6]
Nach Einschätzung des Weltklimarats IPCC wird der Klimawandel einige der derzeitigen Gebiete der Nahrungsmittelproduktion für den künftigen Anbau ungeeignet machen. Die heutigen weltweiten Anbau- und Weideflächen werden bei dem hohen Szenario SSP-8.5 bis zu 10 % bis 2050, über 30 % bis 2100 ihre klimatische Geeignetheit verlieren. Bei dem niedrigen Szenario SSP1-2.6 sind es weniger als 8 % bis 2100. Die für das 21. Jahrhundert prognostizierten Auswirkungen des Klimawandels auf die Ernteerträge sind – ohne Anpassungsmaßnahmen, aber unter Berücksichtigung des CO2-Düngeeffekts – insgesamt negativ. Die Reduktion der Ernten weltweit nimmt um –2,3 % bei Mais, –3,3 % bei Sojabohnen, –0,7 % bei Reis und –1,3 % bei Weizen ab.[5] Dabei ist eine Steigerung der Erträge um ca. 50% erforderlich, um die die Weltbevölkerung um die Mitte des Jahrhunderts zu ernähren.
Einzelnachweise
- ↑ 1,0 1,1 Rezaei, E.E., H. Webber, S. Asseng et al. (2023): Climate change impacts on crop yields. Nat Rev Earth Environ 4, 831–846
- ↑ 2,0 2,1 Ainsworth, E.A., S.P. Long (2020): 30 years of free-air carbon dioxide enrichment (FACE): What have we learned about future crop productivity and its potential for adaptation?, Glob Change Biol. 27:27–49
- ↑ Wang, S., Y. Zhang, W. Ju et al. (2020): Recent global decline of CO2 fertilization effects on vegetation photosynthesis. Science 370,1295-1300
- ↑ Ziska, L.H. (2022): Rising Carbon Dioxide and Global Nutrition: Evidence and Action Needed. Plants 2022, 11, 1000
- ↑ 5,0 5,1 IPCC AR6 WGII (2022): Food, Fibre, and Other Ecosystem Products, 5.4.1
- ↑ 6,0 6,1 Cai, C., Y. Tao, X. Yin, et al. (2026): Carbon dioxide fertilization effect on rice yield is not sustained over multiple generations, One Earth 9, 3
Lizenzhinweis
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