Steigender CO2-Gehalt erhöht weltweit landwirtschaftliche Erträge

Kürzlich haben wir an dieser Stelle über die erhöhte Effizienz der Wassernutzung von Pflanzen als Folge eines  erhöhten CO2-Gehaltes der Luft berichtet. Für die Ernährung einer steigenden Weltbevölkerung (derzeit 7.4 Mrd., jährlicher Zuwachs 80 Mio.) ist der landwirtschaftliche Ertrag unserer Kulturpflanzen wichtiger, die effizientere Wassernutzung kann ein Hilfsmittel zu diesem Ziel sein.

Im April 2016 hat nun Bruce A. Kimbal (Phoenix,USA) in der Zeitschrift „Current Opinion in Plant Biology“ die weltweiten Forschungsresultate der letzten ca. 30 Jahre zu Versuchen mit erhöhtem CO2-Gehalt der Luft zusammengefasst. Kimbal wertet dabei nur Versuche aus, die mit der sogenannten „Free-air  CO2 enrichment -“ Methode (FACE,CO2 Anreicherung unter Freiland-Bedingungen) erarbeitet wurden. Diese Methode wurde erstmals in den späten 1980er Jahren entwickelt: Die Testpflanzen werden nicht in Kammern, Gewächshäusern oder Küvetten mit der erwünschten CO2-Konzentration versorgt, sondern CO2 wird unter Freilandbedingungen (meist vom Boden her) in die Pflanzenbestände eingeführt. Mit dieser Freiland-Methode bleiben alle anderen Umweltparameter (Temperatur, Lichtquantität und -qualität, Windbewegung, Niederschlag, Luftfeuchtigkeit) unverändert.

Ende der 1980er Jahre betrug der CO2-Gehalt der Umgebungsluft 350 ppm, in den ausgewerteten Versuchen wird normalerweise ein um 200 ppm auf 550 ppm erhöhter CO2-Gehalt der Luft eingesetzt, falls andere Konzentrationen eingesetzt wurden, so „normiert“ der Autor die Resultate auf 550 ppm (zulässig, da Abhängigkeit des Ertrages von CO2 zwischen 300 ppm und 1000 ppm linear ist). Insgesamt kann der Autor 244 Beobachtungen in ca. 20 Kulturpflanzen-Arten auswerten mit folgenden Ergebnissen:

Die Erhöhung des CO2-Gehaltes der Luft von 350 ppm auf ca. 550 ppm führt zu folgenden Ertragserhöhungen:

  • Ertragssteigerung 30 und mehr Prozent: Baumwolle, Kassava (Maniok), Hybrid- Reissorten,
  • Ertragssteigerung 15-30 Prozent: Weizen, Gerste, konventionelle Reissorten, Sojabohne, Erbse, Bohne, Erdnuss, Kartoffel, Klee, Raps, Reben
  • Ertragssteigerung 10-15 Prozent: Zuckerrübe, Kaffee, Weidelgras (als Indikatorpflanze für Grünland)
  • Besonderheit: Mais und Hirse. Diese beiden Kulturen reagieren nicht auf erhöhten CO2-Gehalt solange sie genügend Wasser zur Verfügung haben,  zeigen aber 30% Mehrertrag unter Wasserstressbedingungen. Dies ist zu erwarten für C4-Pflanzen
  • Ertragsreduktion: bei keiner Art nachweisbar

Bemerkung zu C3- und C4-Pflanzen: Wichtige C4-Kulturpflanzen sind Mais, Hirsen und Zuckerrohr, alle anderen sind C3-Pflanzen. Der derzeitige CO2-Gehalt der Luft ist für die Photosynthese suboptimal, das Optimum liegt bei etwa 1000 ppm (die Konzentration die bei der Gemüseproduktion als „CO2-Düngung“ in Gewächshäusern eingesetzt wird). Im Gegensatz zu den C3-Pflanzen (ca. 2 Mrd.Jahre alt), die abhängig sind von der gegebenen CO2-Konzentration haben die evolutionsbiologisch jüngeren C4-Pflanzen (ca. 30 Mio. Jahre alt) einen Mechanismus entwickelt um den Minimumfaktor CO2 zu erhöhen: sie sind auf Grund veränderter Anatomie und Biochemie in der Lage CO2 innerhalb des Blattes 3-5-fach anzureichern, sie optimieren den CO2-Gehalt. Dies ist der Grund, warum die C4-Pflanzen (Mais, Hirse) nicht positive auf eine CO2 Erhöhung um 200 ppm reagieren solange kein Wasserstress besteht.

Neben dem Endertrag in Form von Samen oder Früchten  analysiert der Autor auch die „vorgeschalteten Prozesse“ die zu dieser Ertragserhöhung führen:

  • Die grüne Biomasse (Spross und Blätter) wird in ähnlichem Ausmass wie der Ertrag um ca. 20 Prozent erhöht (wichtig für Futterpflanzen und Gemüse)
  • Der Wasserbedarf wird durch den erhöhten CO2-Gehalt um ca.10 Prozent reduziert

Zusammenfassung: Die Erhöhung des CO2-Gehaltes der Luft von 350 ppm auf ca. 550 ppm führt zu einem Mehrertrag von ca. 20 Prozent bei den wichtigsten Kulturpflanzen. Da der CO2-Gehalt seit der vorindustriellen Zeit um ca. 100 ppm (von 300 auf 400 ) angestiegen ist, kann der dadurch bisher bedingte Mehrertrag unserer Kulturpflanzen auf ca. 10 Prozent geschätzt werden.

 

Originalveröffentlichung: http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1369526616300334