AGROMINDS - Historic and projected global agro-meteorologic indicators for major summer crops

Landwirte haben schon immer den Himmel beobachtet, wohl wissend, dass einige Wochen Hitze oder ein ausbleibender Regen eine reiche Ernte in ein Scheitern verwandeln können. Für Wissenschaftler, die versuchen vorherzusagen, wie der Klimawandel die Lebensmittel, die wir essen, beeinflussen wird, ist die Herausforderung ähnlich, aber weita widest komplexer. Sie müssen nicht nur das Wetter verfolgen, sondern auch, wie dieses Wetter mit dem spezifischen Lebenszyklus einer Nutzpflanze interagiert. Eine Pflanze wächst nicht nach einem festen Kalender; sie wächst basierend auf der Wärme, die sie akkumuliert. In einem warmen Frühjahr kann eine Kulturpflanze schnell reifen, während es in einem kühlen Jahr länger dauert. Traditionelle Klimadaten erfassen oft Durchschnittswerte über feste Monate hinweg, was die kritischen Momente übersehen kann, in denen eine Pflanze am verwundbarsten ist. Um die Zukunft der Landwirtschaft zu verstehen, benötigen Forscher eine Möglichkeit, das Wetter genau so zu messen, wie die Pflanze es erlebt – vom Moment der Aussaat der Saat bis zur Ernte.

Ein Team von Forschern am International Institute for Applied Systems Analysis hat einen neuen globalen Datensatz namens AGROMINDS entwickelt, um dieses Problem zu lösen. Anstatt das Wetter in generischen monatlichen Blöcken zu betrachten, haben sie ein System aufgebaut, das der tatsächlichen Wachstumsperiode von vier wichtigen Sommerkulturen folgt: Mais, Soja, Reis und Frühweizen. Der Datensatz kombelt tägliche Wetteraufzeichnungen mit detaillierten Informationen darüber, wann Landwirte pflanzen und wann die Kulturen erntereif sind. Durch den Einsatz von Computermodellen, um zu schätzen, wie schnell sich Pflanzen basierend auf den täglichen Temperaturen entwickeln, kann das Team den exakten Beginn und das Ende der Wachstumsperiode für jeden Parzellen der Erde definieren. Dieser Ansatz ermöglicht es ihnen, eine breite Palette von Klimaindikatoren zu berechnen – wie Gesamtniederschlag, Durchschnittstemperatur und die Anzahl der Tage mit extremer Hitze – spezifisch für die Zeit, in der die Pflanze tatsächlich im Boden ist.

Die Forscher nutzten diese Methode, um eine umfassende Aufzeichnung der Klimabedingungen von 1971 bis zum Jahr 2100 zu erstellen. Sie deckten sowohl die historische Wetterlage, basierend auf der Reanalyse vergangener Beobachtungen, als auch zukünftige Projektionen ab, die auf fünf verschiedenen Klimamodellen und vier verschiedenen Szenarien der Veränderung menschlicher Emissionen basieren. Die Daten sind in einem Raster organisiert, das die gesamte Erde abdeckt, wobei der Fokus auf Gebieten liegt, in denen diese Kulturen derzeit angebaut werden. Für jedes Jahr und jeden Standort berechnet das System, wie viel Wärme die Pflanze akkumuliert hat, wie viel Wasser sie erhielt und wie viele Tage sie unter Stress durch Dürre oder sengende Temperaturen stand. Entscheidend ist, dass das System die Wachstumsperiode in kleinere, biologisch bedeutsame Stadien unterteilt, wie etwa die Zeit, in der die Pflanze ihre Wurzeln etabliert, wenn sie blüht und wenn sie ihre Körner füllt. Diese Detailtiefe hilft Wissenschaftlern zu sehen, wann eine Kulturpflanze am stärksten gefährdet ist.

Als das Team diesen Datensatz anwandte, um die Zukunft zu betrachten, zeichneten die Ergebnisse ein klares Bild einer sich erwärmenden Welt. In den Simulationen für das Ende des Jahrhunderts steigt die Durchschnittstemperatur während der Wachstumsperiode in allen Regionen und über alle Klimamodelle hinweg konsistent an. Der Anstieg ist besonders stark unter Szenarien, in denen die Treibhausgasemissionen hoch bleiben. Zusammen mit der Hitze nimmt auch die Anzahl der Tage mit gefährlich hohen Temperaturen zu, was bedeutet, dass Nutzpflanzen häufiger Hitzewellen während ihrer empfindlichsten Wachstumsphasen ausgesetzt sein werden. Während die Niederschlagsmuster variabler werden – mit einigen Gebieten, die feuchter und anderen trockener werden –, steigt der Wasserbedarf der Pflanzen insgesamt an, da heißere Luft den Boden schneller austrocknet. Der Datensatz zeigt, dass in vielen Regionen die Kombination aus höheren Temperaturen und erhöhtem Wasserbedarf dazu führen wird, dass es mehr Tage gibt, an denen die Atmosphäre mehr Feuchtigkeit aus dem Boden zieht, als der Regen ersetzen kann.

Dieses neue Werkzeug bietet einen realistischeren Weg, die Beziehung zwischen Klima und Landwirtschaft zu untersuchen, als jemals zuvor. Indem sie die Wetterdaten mit dem tatsächlichen biologischen Rhythmus der Pflanze in Einklang bringen, haben die Forscher eine Ressource geschaffen, die Wissenschaftlern helfen kann, bessere Modelle zur Vorhersage von Ernteerträgen zu entwickeln. Es ermöglicht ein klareres Verständnis davon, wie Klimaschocks, wie etwa eine plötzliche Hitzewelle während der Blütezeit, die Lebensmittelproduktion in verschiedenen Teilen der Welt beeinflussen könnten. Der Datensatz ist flexibel gestaltet, sodass andere Forscher die Parameter für unterschiedliche Kulturen oder Regionen anpassen können, wodurch sichergestellt wird, dass die Analyse mit der Entwicklung der landwirtschaftlichen Praktiken und der Klimabedingungen relevant bleibt. Letztendlich bietet AGROMINDS eine detaillierte Karte der klimatischen Herausforderungen für die globale Landwirtschaft und schafft eine Grundlage für die Entwicklung von Strategien zum Schutz der Ernährungssicherheit in einer sich verändernden Welt.