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Landwirtschaftliche Ertragsentwicklung

Karte  (i)

Experten gehen davon aus, dass der Klimawandel in Nordrhein-Westfalen die Entwicklung landwirtschaftlicher Erträge spürbar beeinflussen wird. So erwarten sie, dass

  • die höheren CO2-Konzentrationen eine Steigerung der Produktivität zur Folge haben werden,
  • sich die Temperaturerhöhung je nach Anbaukultur und Jahreszeit unterschiedlich auf die Produktivität auswirken wird,
  • die Abnahme der sommerlichen Niederschläge – je nach Anbaukultur – meist negative Folgen haben wird, wobei durch Bewässerung eine Steigerung der Erträge möglich sein kann.

Grundlagen

Die landwirtschaftliche Ertragsentwicklung wird als prozentuale Änderung der Erträge für den Zukunftszeitraum (2021-2050) bezogen auf die Ausgangssituation 1971-2000 dargestellt. Die Ergebnisse sind dabei nach verschiedenen Boden-Klima-Räumen (BKR) gegliedert. In Nordrhein-Westfalen lassen sich neun BKR unterscheiden (s. Abb. 1, Roßberg et al. 2007). Boden-Klima-Räume zeichnen sich dadurch aus, dass sie annähernd homogene Standortbedingungen hinsichtlich der Bodengüte und des Klimas aufweisen; zur leichteren Handhabung sind sie administrativ nach Gemeinden abgegrenzt.

Abbildung 1: Boden-Klima-Räume (Quelle: Roßberg et al. 2007)

Datenbasis und Kartenerstellung

Die Entwicklung der Pflanzenproduktion wurde vom Institut für Nutzpflanzenwissenschaften und Ressourcenschutz der Universität Bonn im Rahmen eines Projekts untersucht, das durch den Innovationsfond gefördert wurde. Zur Berechnung der Ertragsentwicklung kamen zwei Pflanzenwachstumsmodelle zum Einsatz: DSSAT (Decision Support System for Agrotechnology Transfer) und EPIC (Environmental Policy Impact Climate). Diese Modelle kalkulieren die Pflanzenentwicklung unter Berücksichtigung klimatischer Veränderungen, der Zunahme des CO2-Gehaltes der Atmosphäre sowie von Managementmaßnahmen (Sortenwahl, Bewässerung, Aussaattermine). Zudem können sie eine Vielzahl von Anbaukulturen abbilden (Burkhardt und Gaiser 2010). Um die zukünftigen klimatischen Bedingungen abzuschätzen, wurden zwei unterschiedliche Klimaszenarien verwendet: A1B und B1 (vgl. IPCC 2000). Auf deren Grundlage wurde mit den zwei regionalen Klimamodellen WETTREG und CLM die zukünftige klimatische Entwicklung berechnet. Für die Simulationen wurden zwei Hauptanbaukulturen in NRW (Winterweizen und Silomais) exemplarisch ausgewählt (vgl. Abb. 2).

Abbildung 2: Anteil der verschiedenen Kulturarten an der Gesamtackerfläche Nordrhein-Westfalens in Prozent (Quelle: Burkhardt und Gaiser 2010)

Kartenbeschreibung

Die Ergebnisse der Ertragssimulationen spiegeln den Einfluss der veränderten Temperatur, Niederschläge und CO2-Konzentration wider.

Winterweizen

Im Zeitraum 1971-2000 können die höchsten Winterweizenerträge im Bereich der Westfälischen Bucht und der Köln-Aachener Bucht erzielt werden. Im restlichen Landesgebiet fallen die Erträge hingegen etwas geringer aus.

Durch beide Modelle wird eine deutliche Steigerung der Winterweizenerträge unter Berücksichtigung des höheren CO2-Gehaltes projiziert (Abb. 3 und 4, Tab. 1), wohingegen ohne den CO2-Effekt teilweise mit Ertragseinbußen zu rechnen ist. Dies lässt sich vor allem darauf zurückführen, dass beide Modelle eine deutliche Temperaturerhöhung simulieren, die zu einer Verkürzung der Wachstumsphase und somit geringeren Erträgen führt. Bei höheren CO2-Konzentrationen wird hingegen die Photosyntheseeffizienz gesteigert, so dass die durch die kürzere Wachstumsphase verringerte Biomassebildung ausgeglichen oder sogar übertroffen wird (Burkhardt und Gaiser 2010).

Abbildung 3: Winterweizenertrag 1971-2000 und mittlere relative Veränderung der Winterweizenerträge im Zeitraum 2021-2050 im Vergleich zum Referenzzeitraum 1971-2000 in den Boden-Klima-Räumen auf Basis der Klimaszenarien B1 und A1B simuliert mit dem regionalen Klimamodell WETTREG (Quelle: Burkhardt und Gaiser 2010)
Abbildung 4: Winterweizenertrag 1971-2000 und mittlere relative Veränderung der Winterweizenerträge im Zeitraum 2021-2050 im Vergleich zum Referenzzeitraum 1971-2000 in den Boden-Klima-Räumen auf Basis der Klimaszenarien B1 und A1B simuliert mit dem regionalen Klimamodell CLM (Quelle: Burkhardt und Gaiser 2010)

Dies führt auch dazu, dass die Unterschiede zwischen den Klimaszenarien innerhalb eines Modelles geringer sind, als die Unterschiede bei der Berücksichtigung bzw. nicht-Berücksichtigung des CO2-Effektes im selben Klimaszenario. Beim Vergleich der Klimaszenarien fällt die Ertragssteigerung unter Einbeziehung des CO2-Effekts in den Ergebnissen des A1B-Szenarios höher aus als im B1-Szenario, da das A1B-Szenario eine höhere CO2-Konzentration in der Atmosphäre zugrunde legt.

Insgesamt simuliert das Modell WETTREG höhere Erträge als CLM. Dies ist vermutlich darauf zurückzuführen, dass CLM durchweg höhere Temperaturen projiziert, die ein stärkeres Risiko für Trockenstress der Pflanzen bergen und somit zu einer Verkürzung der Wachstumsphase führen. Unter Berücksichtigung von Bewässerungsmaßnahmen wird vor allem im A1B-Szenario eine weitere Steigerung der Winterweizenerträge projiziert, da das B1-Szenario generell von höheren Niederschlägen in der Wachstumsphase des Winterweizens ausgeht.

Tabelle 1: Mittlere relative Veränderung der Winterweizenerträge im Zeitraum 2021-2050 im Vergleich zum Referenzzeitraum 1971-2000 in Prozent auf Basis der Klimaszenarien B1 und A1B simuliert in den regionalen Klimamodellen WETTREG und CLM (Quelle: Burkhardt und Gaiser 2010)

Silomais

Im Zeitraum 1971-2000 sind die Erträge für Silomais landesweit recht einheitlich. Nur in den Mittelgebirgsregionen Eifel, Sauerland und Teutoburger Wald/Eggegebirge/Tecklenburger Land sind die Ertragsmöglichkeiten etwas schlechter.

Die Zukunftsprojektionen mit dem regionalen Klimamodell CLM zeigen für Silomais bei Berücksichtigung des CO2-Effekts ähnlich hohe Ertragssteigerungen wie für Winterweizen (vgl. Abb. 3/4 mit Abb. 5/6, Tab. 1 und 2). Insgesamt ist die Ertragsentwicklung beim Silomais im Modell CLM nicht so stark von der Änderung der atmosphärischen CO2-Konzentration abhängig, wie beim Winterweizen. Dies hängt damit zusammen, dass Mais als C4-Pflanze generell weniger von den höheren CO2-Konzentrationen profitiert als C3-Pflanzen (Burkhardt und Gaiser 2010).

Abbildung 5: Silomaisertrag im Zeitraum 1971-2000 und mittlere relative Veränderung der Silomaiserträge im Zeitraum 2021-2050 im Vergleich zum Referenzzeitraum 1971-2000 in den Boden-Klima-Räumen auf Basis der Klimaszenarien B1 und A1B simuliert mit dem regionalen Klimamodell WETTREG (Quelle: Burkhardt und Gaiser 2010)
Abbildung 6: Silomaisertrag im Zeitraum 1971-2000 und mittlere relative Veränderung der Silomaiserträge im Zeitraum 2021-2050 im Vergleich zum Referenzzeitraum 1971-2000 in den Boden-Klima-Räumen auf Basis der Klimaszenarien B1 und A1B simuliert mit dem regionalen Klimamodell CLM (Quelle: Burkhardt und Gaiser 2010)

Im Modell WETTREG zeigt sich der unterschiedliche Einfluss der CO2-Konzentrationen auf C3- bzw. C4-Pflanzen daran, dass die Ertragssteigerung bei Winterweizen deutlich höher ausfällt als bei Silomais (Abb. 3 bis 6). Zudem unterscheiden sich die Ergebnisse beim Silomais für die verschiedenen Klimaszenarien im Modell WETTREG deutlich stärker voneinander als die Unterschiede, die durch die Berücksichtigung des CO2-Effekts im selben Klimaszenario projiziert werden.

So ergeben sich für das Klimaszenario B1 durch das Modell WETTREG generell nur geringfügige Ertragsänderungen beim Silomais, die sowohl positiv als auch negativ ausfallen können. Im Klimaszenario A1B zeigt das Modell WETTREG hingegen eine Ertragssteigerung an, die bei Berücksichtigung des CO2-Effekts noch stärker ausfällt. Dies hängt größtenteils mit den höheren Frühjahrstemperaturen und somit früherem Beginn der Wachstumsphase im Klimaszenario A1B zusammen (Burkhardt und Gaiser 2010).

Durch das Modell CLM wird für den Silomais überwiegend eine Ertragssteigerung projiziert, nur in einigen BKR ist im Klimaszenario A1B ohne Berücksichtigung des CO2-Effekts ein leichter Ertragsrückgang zu sehen.

Eine Erklärung für die insgesamt höheren Ertragssteigerungen in den Simulationen des CLM Modells im Vergleich zu WETTREG könnte in den höheren Sommerniederschlägen liegen, die durch das Modell CLM projiziert werden. So kann die - durch den Anstieg der Lufttemperatur verursachte - erhöhte Verdunstung von Pflanzen und des Bodens, ausgeglichen werden. Durch zusätzliche Bewässerung kann darüber hinausgehend eine weitere Steigerung der Erträge vor allem im Klimaszenario A1B erzielt werden.

Tabelle 2: Mittlere relative Veränderung der Silomaiserträge im Zeitraum 2021-2050 im Vergleich zum Referenzzeitraum 1971-2000 in Prozent auf Basis der Klimaszenarien B1 und A1B simuliert in den regionalen Klimamodellen WETTREG und CLM (Quelle: Burkhardt und Gaiser 2010)

Fazit

Für Winterweizen projizieren die Modelle CLM und WETTREG bei Berücksichtigung der höheren CO2-Konzentrationen in der Atmosphäre eine Ertragssteigerung in beiden betrachteten Klimaszenarien A1B und B1. Durch das Modell WETTREG werden für Silomais bei Berücksichtigung des CO2-Effekts geringere Ertragssteigerungen als für Winterweizen projiziert. Die Ergebnisse von CLM zeigen hingegen eine ähnliche Ertragsentwicklung von Winterweizen und Silomais an. Somit ergeben sich deutliche Modellunterschiede, sodass für die Veränderung der Silomaiserträge kein einheitlicher Trend abgeleitet werden kann. Zudem ist die wissenschaftliche Grundlage zu den Auswirkungen der Erhöhung der CO2-Konzentration in der Atmosphäre auf die Pflanzenproduktion noch unzureichend. So fallen die Ergebnisse der Untersuchungen des CO2-Effektes auf Freilandstandorten meist deutlich geringer aus als die Versuche unter geschlossenen Bedingungen, die den Modellen zugrunde gelegt wurden (Burkhardt und Gaiser 2010).

Insgesamt sind die Ergebnisse der Modelle für die landwirtschaftliche Ertragssteigerung vorsichtig zu interpretieren, da die Verwendung dieses Modellensembles, das aus zwei Modellen und zwei Klimaszenarien besteht, nur eine geringe Spannweite möglicher zukünftiger Entwicklungen aufzeigt.

Literatur

Burkhardt, J. und Gaiser, T. (2010): Modellierung der Folgen des Klimawandels auf die Pflanzenproduktion in Nordrhein-Westfalen, Abschlussbericht, im Auftrag des Ministeriums für Umwelt und Naturschutz, Landwirtschaft und Verbraucherschutz des Landes Nordrhein-Westfalen, Institut für Nutzpflanzenwissenschaften und Ressourcenschutz der Universität Bonn, Abteilung Pflanzenernährung (INRES-PE), Bonn.

Roßberg, D.; Michel, V.; Graf, R. und Neukampf, R. (2007): Definition von Boden-Klima-Räumen für die Bundesrepublik Deutschland. In: Nachrichtenbl. Deut. Pflanzenschutzd., 59 (7): 155–161.

Links

IPCC - Intergovernmental Panel on Climate Change (Hrsg.) (2000): SRES – Special Report Emissions Scenarios