Auswirkungen einer verbesserten Abbildung von Hitzestressfolgen auf simulierte Ernteerträge und Bewertung von landwirtschaftlichen Anpassungspotentialen durch Weiterentwicklung und Anwendung des prozessbasierten Landwirtschaftsmodells LPJmL

Stipendiatin/Stipendiat: Marie Hemmen

Im Zuge der globalen Erwärmung sind im Vergleich zur gegenwärtigen Situation häufigere und intensivere Hitzeperioden zu erwarten. In der Vergangenheit führten Hitzeperioden zu starken landwirtschaftlichen Ertragsausfällen und könnten zukünftig noch dramatischere Auswirkungen auf die globale landwirtschaftliche Produktion haben.

Zur Folgenabschätzung des Klimawandels auf landwirtschaftliche Erträge und zum Auffinden mildernder Anpassungsstrategien eignet sich die Simulation pflanzlicher Wachstums- und Entwicklungsprozesse mittels prozessbasierter landwirtschaftlicher Modelle. Mit ihnen können Pflanzen- und Bodeneigenschaften in Abhängigkeit verschiedener Parameter dynamisch berechnet und damit auch zukünftige Ertragsmengen quantifiziert werden. Es wurde gezeigt, dass diese Modelle landwirtschaftliche Erträge unter aktuellen Bedingungen reproduzieren, ihre Zukunftsprojektionen bisher jedoch hohe Unsicherheiten aufweisen. Ursache dafür kann unter anderem die in prozessbasierten Modellen bisher meist unzureichende Abbildung temperaturabhängiger Prozesse sein. Das betrifft insbesondere nichtlineare Reaktionen im oberen Temperaturbereich, die im Klimawandel mit hoher Wahrscheinlichkeit an Relevanz weiter zunehmen werden.

Im Rahmen eines Promotionsvorhabens möchte ich daher eine Methode zur besseren Repräsentation von Hitzestresseffekten in prozessbasierten Modellen entwickeln und diese im globalen Landwirtschaftsmodell LPJmL implementieren. Damit die temperaturabhängigen Prozesse besser abgebildet werden als bisher, soll das weiterentwickelte Modell nicht nur wie üblicherweise auf Endergebnisebene, sondern auch auf Prozessebene evaluiert werden. Mit dem weiterentwickelten Modell sollen dann globale Auswirkungen des Klimawandels auf landwirtschaftliche Erträge analysiert, sowie bisherige Anpassungsmaßnahmen bezüglich Hitzestress bewertet werden.

Dazu werden im ersten Teil des Vorhabens auf Basis einer Literatur- und Datenrecherche Prozesse identifiziert, die unter Hitzestress zu Ertragseinbußen führen. Anschließend werden diese in den landwirtschaftlichen Modulen von LPJmL integriert. Zum besseren Verständnis der komplexen Dynamiken und zur Prüfung, ob die Prozesse realistisch dargestellt sind, werden sowohl simulierte Erträge, als auch unterliegende Prozesse gegenüber Beobachtungsdaten ausgewertet. Im zweiten Teil werden durch globale Simulationen mit dem weiterentwickelten Modell die Folgen eines isolierten Temperaturanstiegs auf simulierte Erträge systematisch untersucht und die globalen Auswirkungen des projizierten Klimawandels auf landwirtschaftliche Erträge analysiert. Außerdem wird herausgearbeitet, inwieweit und aus welchen Gründen sich bisherige Ertragsabschätzungen unterscheiden. Im dritten Teil werden abschließend anhand der Analyseergebnisse und mittels weiterer globaler Simulationen bereits vorgeschlagene landwirtschaftliche Anpassungsstrategien hinsichtlich ihrer Eignung zur Milderung von Hitzefolgen bewertet. Die ausgewählten Maßnahmen, die den Einsatz spezieller Sorten, die Anpassung von Anbauperioden und die Bewässerung landwirtschaftlicher Flächen umfassen, werden in Bezug auf ihre Wirksamkeit und Effektivität gegenüber Hitze untersucht und diskutiert.

Eine realistische Abschätzung zukünftiger landwirtschaftlicher Erträge und die Identifikation nachhaltiger Anbausysteme zur Gewährleistung der globalen Ernährungssicherheit sind in Anbetracht des fortschreitenden Klimawandels hochgradig relevant. Mein Promotionsvorhaben soll durch die Verbesserung der projizierten Auswirkungen des Klimawandels auf Ernteerträge und der Einschätzung landwirtschaftlicher Anpassungsstrategien einen Beitrag dazu leisten. Die in diesem Vorhaben erlangten Analyseergebnisse, sowie die entwickelte Methode zur Implementierung von Hitzestress könnten darüber hinaus eine breite Anwendung in internationalen Projekten und in anderen prozessbasierten Modellen finden.

Förderzeitraum:
01.08.2021 - 31.07.2024

Institut:
Humboldt-Universität zu Berlin
Albrecht Daniel Thaer-Institut für Agrar-
und Gartenbauwissenschaften

Betreuer:
Prof. Dr. Hermann Lotze-Campen

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Publikationen: