Kapitel: 4 → Sozio-ökonomische Aspekte: Gewinner und Verlierer
4.6 → Mehr Kohlendioxid in der Atmosphäre: Wie reagieren Kulturpflanzen?
Hans-Joachim Weigel, Remy Manderscheid, Andreas Fangmeier & Petra Högy, Institut für Biodiversität, Johann Heinrich von Thünen-Institut, Bundesforschungsinstitut für Ländliche Räume, Wald und Fischerei, Braunschweig
Zusammenfassung: Mehr Kohlendioxid in der Atmosphäre: Wie reagieren Kulturpflanzen?
Die CO2-Konzentration in der Atmosphäre steigt seit ca. 150 Jahren deutlich und zunehmend schneller an und soll in ca. 50 Jahren bei Werten zwischen 480-600 ppm liegen. Für die Photosynthese von C3-Pflanzen (z.B. Weizen, Reis, Soja, Gerste, Kartoffel) ist die gegenwärtige CO2-Konzentration suboptimal.
Diese Pflanzen reagieren daher auf ein höheres CO2-Angebot mit zum Teil beträchtlichen Steigerungen der Photosynthese (PS). Bei Pflanzen des C4-Typs (z.B. Mais, Hirse) wird aufgrund ihres anderen CO2-Fixierungsmechanismus in der Regel keine PS-Stimulation beobachtet.
Beide Pflanzentypen reagieren auf eine CO2-Erhöhung gleichzeitig mit einer Verminderung der stomatären Leitfähigkeit bzw. der Blatttranspiration und damit der Wasserabgabe an die Atmosphäre. Dies verbessert die unmittelbare Wasserausnutzungseffizienz der Pflanze und kann damit z.B. auch Trockenheitseffekte abmildern.
Bei C3-Pflanzen wird unter CO2-Anreicherung zudem meist eine Zunahme der löslichen Kohlenhydratfraktion sowie weiterer Kohlenstoffverbindungen im Gewebe festgestellt. Dies führt Veränderungen der chemischen Zusammensetzung vegetativer und generativer (Früchte, Samen) Pflanzenteile, wobei insbesondere eine Abnahme des Stickstoff- und damit verbunden des Proteingehaltes zu beobachten ist.
Die möglichen Konsequenzen dieser Primäreffekte einer erhöhten CO2-Konzentration für die Leistungsfähigkeit von Kulturpflanzen im Feld (z.B. Ertragsmenge und –qualität) bzw. für agrarökologische Zusammenhänge (z.B. Wasser- und Stoffhaushalt, Pflanzenkrankheiten) sind noch immer nicht vollständig verstanden.
Zahlreiche CO2-Anreicherungsexeprimente (z.B. 550-700 ppm CO2) mit den o.g. C3-Pflanzenarten ergaben Wachstums- und Ertragsteigerungen („CO2-Düngeeffekt“) zwischen 10-30%. Im Hinblick auf die Pflanzenproduktion ist „CO2-Düngeeffekt“ bei der modellgestützten Folgenabschätzung des Klimawandels insgesamt die entscheidende Einflussgröße.
More carbon dioxide in the atmosphere: how do crops respond?
Along with overall climate changes the increasing concentration of atmospheric CO2 ([CO2]e) will directly impact on agricultural crops and agroecosystems. [CO2]e is known to stimulate photosynthesis, to reduce leaf transpiration and to increase levels of carbohydrates in leaf tissue.
Based on these physiological effects enhanced crop growth and yield („CO2 fertilization“) may occur. Concomitantly, [CO2]e may ameliorate soil water deficits, as canopy evapotranspiration of crops is reduced. Total biomass and yield of major crops like wheat, rice, potato, soybean, barley, cotton and ryegrass were enhanced by 10%-30% in numerous CO2 exposure experiments (e.g. 550-700 ppm CO2).
On the other hand, crop quality may change, e.g. as reduced tissue nitrogen and protein levels, respectively, and changes in plant element stoichiometry under [CO2]e are frequently observed. A better assessment of the direct effects of [CO2]e on crop growth is crucial for any assessment of potential effects of future climate changes on food production.