Jeder Organismus und damit auch jede Feldfrucht kann nur in bestimmten Spannweiten der Umweltfaktoren gedeihen. Dies wird als ökologische Potenz bezeichnet. 

Schematische Darstellung des Konzeptes der ökologischen Potenz. (Verändert nach Wikimedia Foundation)

Die Temperatur ist ein entscheidender Umweltfaktor für Pflanzen. Die Temperaturspanne ist durch drei so genannte Kardinaltemperaturen gekennzeichnet :

1. Optimum-Temperatur: Die Temperatur, bei der die Pflanze am effizientesten Fotosynthese betreiben kann (Weizen: 25°C)
2. Maximum-Temperatur:
   1. Existenzmaximum: Oberhalb dieses Grenzwertes wird die Fotosynthese eingestellt (Weizen: ca. 35°C) 
   2. Toleranzmaximum: Beim überschreiten kommt zu Abstereben der Pflanze (> 50°C)
3. Minimum-Temperatur:
   1. Existenzminimum: Unterhalb dieser Temperatur wird der Stoffwechsel herunter gefahren, die Fotosynthese kommt zum Erliegen (Weizen: ca. 5°C)
   2. Toleranzminimum; Beim Unterschreiten kommt es zu Absterben der Pflanze (Weizen während der Keimung: < -20°C).

Die Entwicklung von Pflanzen während einer Saison wird durch die Abfolge von verschiedenen Phasen (Ergrünen, Blüte, Reife) gekennzeichnet. Da diese mit bloßem Auge leicht zu unterscheiden sind, werden sie als phänologische Phasen bezeichnet. Detaillierte Informationen zur Pflanzenphänologie finden Sie hier.

Der Zeitpunkt, wann eine Phase auftritt, hängt vor allem von der Temperatur ab. Im Durchschnitt gilt: Je höher die Temperatur, desto früher im Jahresverlauf erreicht eine Pflanze eine bestimmte Phase. In wärmeren Gegenden verläuft die Pflanzenentwicklung folglich schneller ab als in kühleren.

 Vergleichen Sie unter Nutzung der interaktiven Karte die verschiedenen Naturräume hinsichtlich des mittleren Reifedatums. Welche Naturräume sind durch besonders frühes Reifen gekennzeichnet?

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Über verschiedene Jahre betrachtet spiegelt das Eintrittsdatum als das Klima im Jahr wider. Hier können Sie die langjährigen Zeitreihen für die Länder Sachsen, Sachsen-Anhalt und Thüringen im Vergleich zu Gesamtdeutschland betrachten.

Trockenstress hat, im Gegensatz zu Hitzestress, einen geringeren Einfluss auf die Erträge.

Jahresverlauf der Bodenfeuchte und der klimatischen Wasserbilanz. Daten: Für Mitteldeutschland bestimmtes Gebietsmittel der langjährigen, monatlichen Durchschnittswerte des  DEUTSCHEN WETTERDIENST.

Die verfrühte Reifung der Feldfrüchte bewirkt, dass die Pflanzen bereits vor Eintritt der höchsten Trockenstressgefahr erntereif sind und somit die Erträge nur unwesentlich zurückgehen.

Allerdings kann Trockenheit trotzdem zum Problem werden, wenn die erforderlichen Niederschläge nicht (mehr) erreicht werden. Die untere Grenze für den Weichweizen-Anbau liegt dabei bei etwa 500 mm pro Jahr, bei geringeren Niederschlägen muss durch künstliche Bewässerung eine ausreichende Versorgung sichergestellt werden.

Bei extremer Trockenheit, wie in Sachsen-Anhalt im Sommer 2018 zu beobachten war, sinkt die Bodenfeuchte allerdings soweit ab, dass es ebenfalls zu Notreife und großen Ertragseinbußen kommen kann.

Der Boden ist eine Ressource, die den erzielbaren Ertrag beeinflusst. Wird der Boden abgetragen, ist er nahezu unwiederbringlich verloren. Bodenabtrag wird vorwiegend durch Wasser, aber auch durch Wind verursacht. 

Die Erodierbarkeit eines Bodens kann mit der allgemeinen Bodenabtragsgleichung beschrieben werden und hängt ab von:

1. Hangneigung und Hanglänge
2. Bodenbedeckung
3. Erodierbarkeit und Erosionsschutzfaktor des Bodens sowie
4. Erosivität (Energie des auf den Boden wirkenden Niederschlages)

Bildquelle: S. Marahrens / Umweltbundesamt

Vor allem bei Starkniederschlagsereignissen kommt es zu größeren Erosionserscheinungen, wobei dias Erosionsrisiko innerhalb Deutschlands stark variiert:

Erkunden Sie den Potentiellen Bodenabtrag durch Wind und Wetter mit der WebApp! Welche Regionalen Muster lassen sich erkennen? Wodurch sind Flächen hohe Erosionsgefahr gekennzeichnet?

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Auch die Wirkung von Schadorganismen auf die wichtigsten Feldfrüchte wird sich infolge der Klimaveränderungen verändern.  Als Schadorganismen werden dabei Pflanzenkrankheiten (ausgelöst durch Bakterien, Viren oder Pilze), Unkräuter und tierische Schaderreger zusammengefasst.

In den letzten Jahren konnte, speziell bei Maisanbau, eine Zunahme des Schädlingsbefalls verzeichnet werden. Der Maiswurzelbohrer beispielsweise kann große Teile der Ernte vernichten.  Anhand des Auftretens eines weiteren Schädings, des Maiszünslers, kann die Zunahme statistisch nachverfolgt werden:

Maiszüngsler-Auftreten in Sachsen 1999 bis 2007. Bildquelle: SÄCHSISCHES LANDESAMT FÜR UMWELT, LANDWIRTSCHAFT UND GEOLOGIE.

Durch das gesteigerte Angebot von pflanzenverfügbarem CO₂ in der Atmosphäre steigt die Photosyntheseleistung der Pflanzen und damit der potentiellen Erträge. Jedoch gilt dieser CO₂-Dünge-Effekt vor allem für C₃-Pflanzen (über 90% aller Landpflanzen einschließlich Weizen, Roggen, Gerste, Raps, Rüben, Kartoffeln), während C₄-Pflanzen wie Mais oder Hirse deutlich weniger vom CO₂-Düngeeffekt profitieren.

 In der Abbildung ist die Veränderung des so genannten Blattflächenindex / Leaf area index (LAI)  in den letzten 3 Jahrzehnten global dargestellt. Neben den überwiegend grünen Farbtönen, die einen Zuwachs des symbolisieren, gibt es auch Regionen mit einem starken Rückgang des LAI. Welche Prozesse sind dafür verantwortlich?

Dies liegt darin begründet, dass der C₄-Photosynthesemechanismus schon jetzt effizienter mit dem verfügbaren CO₂ umgeht als der C₃-Mechanismus (zum Weiterlesen: Hamburger Bildungsserver). Weiterhin bewirkt eine erhöhte CO₂-Konzentration eine verbesserte Wassernutzung, und kann somit teilweise die Effekte zunehmender Sommertrockenheit abfedern.

BILDQUELLE: HAMBURGER BILDUNGSSERVER

Der CO₂-Düngeeffekt vermag die Folgen der ansteigenden Temperaturen vorerst weitgehend abzupuffern. Allerdings wird davon ausgegangen, dass dieser Ausgleich nur bis ca. 2050 gültig sein wird. Anschließend wird ein Überwiegen der negativen Effekte erwartet, sodass die Erträge insgesamt zurückgehen werden.   

Beispielsweise für Österreich wurde im Detail untersucht, wie sich die zu erwartenden Weizenerträge zukünftig verändern werden. Dabei wurde explizit zwischen Berücksichtigung und Vernachlässigung des CO₂-Düngeeffektes unterschieden.

Ertragsprognosen für Weizen in Österreich bis 2080 mit (rechts)  und ohne (links) Berücksichtigung des CO₂-Düngeeffektes. QUELLE

Mit dem in den vorherigen Modulen erlernten Wissen lässt sich nun eine Bewertung der Klimafolgen vornehmen.  

Entscheiden Sie, ob die benannten Klimafolgen einen positiven oder einen negativen Effekt auf die Erträge bzw. Ertragssicherheit haben!