„CO2-Begasung in Gewächshäusern fördert erst das Pflanzenwachstum; ein erhöhter CO2-Ausstoß ist deshalb gut für die Welternährung.“
Autor/in: Studierender Wintersemester 2024/25
Eine erhöhte CO2-Konzentration kann das Pflanzenwachstum unter kontrollierten Bedingungen, wie in Gewächshäusern, fördern. Kohlenstoffdioxid ist ein essenzieller Nährstoff für Pflanzen und ein Substrat der Photosynthese.[1] Bei steigenden CO2-Werten wird die Photosynthese stimuliert, was unter optimalen Umweltbedingungen zu einer verbesserten Biomasseproduktion und Ertragssteigerung von bis zu 20 – 30 % führen kann.[1, 2] Dieses Phänomen wird auch als „CO2-Düngung“ bezeichnet.[3, 4] Außerdem führet ein erhöhter atmosphärischer CO2-Gehalt zu einer teilweisen Schließung der Spaltöffnungen von Pflanzen während des Gasaustauschs, da auch mit geringer Öffnung noch genug Kohlenstoffdioxid für die Photosynthese aufgenommen werden kann.[2] Somit kommt es zu einem verringerten Wasserverlust durch Transpiration, wodurch Bodenwasser eingespart werden kann und Ertragsbildungsprozesse in Dürreperioden länger aufrechterhalten werden können.[1, 5, 6, 7]
Jedoch ist dieser ertragssteigernde Effekt nur unter optimalen Umweltbedingungen stabil. Außerhalb von Gewächshäusern wird der Nutzen der CO2-Düngung durch limitierende Faktoren wie die Verfügbarkeit von Wasser, Stickstoff und anderen Nährstoffen eingeschränkt. Fehlen diese Ressourcen, bleibt das Pflanzenwachstum trotz höherer CO2-Konzentrationen begrenzt.[4] Außerdem kann es bei langfristig hohen CO2-Werten zu einer Herabregelung der Photosynthese kommen, wenn die Pflanze die zusätzlich gebildeten Produkte nicht ausreichend verwerten kann.[1, 8]
Ein weiteres Problem ist die Beeinträchtigung der Nährstoffqualität bei Kulturpflanzen, die unter erhöhtem CO2-Gehalt wachsen. So zeigen Studien, dass Weizen und Reis, die bei 546 – 590 ppm CO2 angebaut wurden, niedrigere Konzentrationen am Zink, Eisen, Proteinen und Vitaminen enthalten.[9, 10] Da viele Menschen, insbesondere in Afrika und Asien, den größten Teil ihres Bedarfs an diesen Nährstoffen aus solchen Kulturpflanzen decken, könnte ein breiter Nährstoffmangel entstehen, der die Gesundheitslage verschlechtert.[9, 10, 11]
Zusätzlich führt ein erhöhter CO2-Ausstoß zu einem beschleunigtem Klimawandel und somit zu einer zunehmenden Häufigkeit und Intensität von Naturkatastrophen.[12, 13, 14] Extremwetterereignisse wie Überschwemmungen, Hitzewellen und Stürme gefährden die landwirtschaftliche Produktion weltweit und können die erzielten Ertragssteigerungen durch Kohlenstoffdioxid zunichtemachen. So werden beispielsweise die Wasserressourcen für die Nahrungsmittelproduktion durch veränderte Niederschlags- und Verdunstungsraten sowie Grundwasserstände beeinflusst.[15, 16, 17]
Das Gleichgewicht zwischen der Ertragssteigerung durch CO2-Düngung und den negativen Auswirkungen einer minderen Nährstoffqualität sowie den Folgen des Klimawandels dürfte in der Realität stark von der Region abhängen. Grundsätzlich wird jedoch davon ausgegangen, dass die negativen Auswirkungen gegenüber den potenziellen Vorteilen überwiegen[4] und somit ein erhöhter CO2-Ausstoß schlecht für die Welternährung ist.
Quellen:
[1] Tausz-Posch, S., Tausz, M. & Bourgault, M. (2019). Elevated [CO2] effects on crops: Advances in understanding acclimation, nitrogen dynamics and interactions with drought and other organisms. Plant Biology, 22 (S1), 38-51. https://doi.org/10.1111/plb.12994
[2] Ainsworth, E. A. & Rogers, A. (2007). The response of photosynthesis and stomatal conductance to rising [CO2]: mechanism and environmental interactions. Plant Cell & Environment, 30(3), 258-270. https://doi.org/10.1111/j.1365-3040.2007.01641.x
[3] Gojon, A., Cassan, O., Bach, L., Lejay, L. & Martin, A. (2022). The decline of plant mineral nutrition under rising CO2: physiological and molecular aspects of a bad deal. Trends in Plant Science, 28(2), 185-198. https://doi.org/10.1016/j.tplants.2022.09.002
[4] Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC). (2019). Climate change and land: An IPCC special report on climate change, desertification, land degradation, sustainable land management, food security, and greenhouse gas fluxes in terrestrial ecosystems. https://www.ipcc.ch/srccl/
[5] Kimball, B. A., Pinter, P. J., Garcia, R. L., LaMORTE, R. L., Wall, G. W., Hunsaker, D. J., Wechsung, G., Wechsung, F. & Kartschall, T. (1995). Productivity and water use of wheat under free-air CO2 enrichment. Global Change Biology, 1(6), 429-442. https://doi.org/10.1111/j.1365-2486.1995.tb00041.x
[6] Bernacchi, C. J., Kimball, B. A., Quarles, D. R., Long, S. P. & Ort, D. R. (2006). Decreases in Stomatal Conductance of Soybean under Open-Air Elevation of [CO2] Are Closely Coupled with Decreases in Ecosystem Evapotranspiration. PLANT PHYSIOLOGY, 143(1), 134-144. https://doi.org/10.1104/pp.106.089557
[7] Tausz-Posch, S., Norton, R. M., Seneweera, S., Fitzgerald, G. J. & Tausz, M. (2012). Will intra-specific differences in transpiration efficiency in wheat be maintained in a high CO2 world? A FACE study. Physiologia Plantarum, 148(2), 232-245. https://doi.org/10.1046/j.1365-3040.1999.00432.x
[8] Moore, B. D., Cheng, S., Sims, D. & Seemann, J. R. (1999). The biochemical and molecular basis for photosynthetic acclimation to elevated atmospheric CO2. Plant Cell & Environment, 22(6), 567-582. https://doi.org/10.1046/j.1365-3040.1999.00432.x
[9] Myers, S. S., Zanobetti, A., Kloog, I., Huybers, P., Leakey, A. D. B., Bloom, A. J., Carlisle, E., Dietterich, L. H., Fitzgerald, G., Hasegawa, T., Holbrook, N. M., Nelson, R. L., Ottman, M. J., Raboy, V., Sakai, H., Sartor, K. A., Schwartz, J., Seneweera, S., Tausz, M. & Usui, Y. (2014). Increasing CO2 threatens human nutrition. Nature, 510(7503), 139-142. https://doi.org/10.1038/nature13179
[10] Zhu, C., Kobayashi, K., Loladze, I., Zhu, J., Jiang, Q., Xu, X., Liu, G., Seneweera, S., Ebi, K. L., Drewnowski, A., Fukagawa, N. K. & Ziska, L. H. (2018). Carbon dioxide (CO2) levels this century will alter the protein, micronutrients, and vitamin content of rice grains with potential health consequences for the poorest rice-dependent countries. Science Advances, 4(5). https://doi.org/10.1126/sciadv.aaq1012
[11] Medek, D. E., Schwartz, J. & Myers, S. S. (2017). Estimated Effects of Future Atmospheric CO2 Concentrations on Protein Intake and the Risk of Protein Deficiency by Country and Region. Environmental Health Perspectives, 125(8). https://doi.org/10.1289/ehp41
[12] Smith, G. S., Anjum, E., Francis, C., Deanes, L. & Acey, C. (2022). Climate Change, Environmental Disasters, and Health Inequities: The Underlying Role Structural Inequalities. Current Environmental Health Reports, 9(1), 80-89. https://doi.org/10.1007/s40572-022-00336-w
[13] Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC). (2012). Managing the Risks of Extreme Events and Disasters to Advance Climate Change Adaptation. A Special Report of Working Groups I and II of the Intergovernmental Panel on Climate Change. https://www.ipcc.ch/report/managing-the-risks-of-extreme-events-and-disasters-to-advance-climate-change-adaptation/
[14] Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC). (2018). Global Warming of 1.5°C an IPCC Special Report on the Impacts of Global Warming of 1.5°C Above Pre-Industrial Levels and Related Global Greenhouse Gas Emission Pathways, in the Context of Strengthening the Global Response to the Threat of Climate Change. https://www.ipcc.ch/sr15/
[15] Cruz-Blanco, M., Santos, C., Gavilán, P. & Lorite, I. J. (2014). Uncertainty in estimating reference evapotranspiration using remotely sensed and forecasted weather data under the climatic conditions of Southern Spain. International Journal Of Climatology, 35(11), 3371-3384. https://doi.org/10.1002/joc.4215
[16] Sepulcre-Canto, G., Vogt, J., Arboleda, A. & Antofie, T. (2014). Assessment of the EUMETSAT LSA-SAF evapotranspiration product for drought monitoring in Europe. International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation, 30, 190-202. https://doi.org/10.1016/j.jag.2014.01.021
[17] Huntington, J. L., Hegewisch, K. C., Daudert, B., Morton, C. G., Abatzoglou, J. T., McEvoy, D. J. & Erickson, T. (2017). Climate Engine: Cloud Computing and Visualization on Climate and Remote Sensing Data for Advanced Natural Resource Monitoring and Process Understanding. Bulletin Of The American Meteorological Society, 98(11), 2397-2410. https://doi.org/10.1175/bams-d-15-00324.1