Inhalt: Wasser in der Agrarlandschaft: Erträge sichern, Ressourcen schonen, Risiken minimieren
Ausgangslage
Weniger als 5 % der landwirtschaftlichen Fläche in Deutschland werden künstlich bewässert, vorwiegend im Gemüse-, Erdbeer- und Kartoffelanbau. Die landwirtschaftliche Produktion insgesamt ist somit in hohem Maße von natürlichen Niederschlägen abhängig.
Der Klimawandel, der in Deutschland regional unterschiedlich auftritt, führt i.d.R. zu geringeren Niederschlagsmengen und Veränderungen in der Niederschlagsverteilung sowie zunehmenden Extremwetterereignissen.
Weiterhin ergibt sich durch die Verschiebung der Niederschlagsmengen im Vegetationsverlauf eine zunehmende Diskrepanz zwischen dem natürlichen Wasserangebot und dem Wasserbedarf der Pflanzen. Die Folgen des Klimawandels sind stark schwankende Erträge und eine abnehmende Ertragssicherheit.
Neben diesem direkten Einfluss auf die landwirtschaftliche Produktion ist zu bedenken, dass langanhaltende Trockenperioden die natürlichen Wasserspeicher im Boden erschöpfen, jedoch zunehmende Starkregenereignisse das Risiko für den Eintrag von Nähr- und Schadstoffen in das Grundwasser bzw. angrenzende Ökosysteme erhöhen.
Die Arbeiten des JKI zum Thema Wasser betrachten daher unterschiedliche Aspekte:
Anpassung der Pflanzenproduktion: Wie kann sich die Pflanzenproduktion an eine veränderte Wasserverfügbarkeit anpassen, um Ertrag und Qualität langfristig zu sichern?
Landschaftswasserhaushalt: Welchen Beitrag kann die Landwirtschaft leisten, um Wasserkreisläufe zu stabilisieren und Niederschläge in der Fläche zu halten?
- Ressourceneffizienz: Wie lässt sich Wasser ressourcenschonender und unter One-Health-Gesichtspunkten nutzen?
Zu viel, zu wenig, zur falschen Zeit? – Züchtung und Pflanzenbausysteme für eine effizientere Wassernutzung
Wenn Trockenphasen häufiger werden und Witterungsextreme zunehmen, bedarf es Sorten und Systeme, die unter diesen Bedingungen verlässlich Erträge liefern. In diesem Kontext wird häufig von Wassernutzungseffizienz gesprochen: Gemeint ist, wie effektiv Pflanzen verfügbares Wasser in Biomasse und Ertrag umsetzen und wie stabil dieses Verhältnis unter wechselnden Bedingungen bleibt. Tatsächlich zeigen Versuche mit kontrastierender Beregnung, dass moderne Sorten sowohl bei ausreichend Wasserverfügbarkeit als auch unter Trockenstress pro Liter Wasser höhere Erträge erzielen als ältere Sorten.
Physiologische und genetische Grundlagen der Wassernutzungseffizienz
Das JKI erforscht die physiologischen und genetischen Grundlagen der Wassernutzungseffizienz. Beispielsweise wird untersucht, ob ein ein verzweigteres und längeres Wurzelsystem die Aneignung von Wasser auch bei tiefer stehenden Bodenwasservorräten begünstigt. In Bezug auf die Wassernutzungseffizienz kommt weiterhin der Wasserabgabe über die Spaltöffnungen eine große Bedeutung zu; werden diese frühzeitig geschlossen wird zwar die Verdunstung verringert aber auch die Photosyntheseleistung. Wenn Pflanzen den Zeitpunkt und die Menge der Wasserabgabe über die Spaltöffnungen „intelligenter“ steuern, können pro Liter Wasser höhere Erträge erzielt werden. Das JKI verfügt hierzu über eine moderne Forschungsinfrastruktur, die es erlaubt, den Wasserverbrauch der Pflanzen im Abstand von wenigen Minuten digital zu erfassen und dadurch die Verhaltensmuster einer Vielzahl von Sorten unter verschiedenen Szenarien in hoher Detailschärfe zu analysieren. Ein Schritt auf dem Weg hin zu trockentoleranteren Sorten.
Darüber hinaus ist die Verbesserung der Stickstoffnutzungseffizienz fester Bestandteil des Forschungsalltags am JKI. Mit Hilfe von Drohnen wird die Biomasseentwicklung für hunderte von Genotypen beobachtet, um solche zu identifizieren, die bei reduzierter Stickstoffdüngung die höchsten Erträge und Qualitäten erreichen. Tatsächlich belegen mehrere Studien, dass eine verbesserte Genetik dazu beiträgt, den Stickstoffbilanzüberschuss zu reduzieren. Dies ist ein aktiver Beitrag zur Reduktion der Nitrateinträge in Gewässer bzw. der gasförmigen Verluste.
Pflanzenbauliche Strategien und Systemansätze
Zusätzlich zu verbesserten Sorten bedarf es Anbausystemen, unter denen die Sorten ihr im Erbgut angelegtes Potential auch verwirklichen können. Aussagekräftig wird dies insbesondere dann, wenn Sorten- und Managementeffekte mit regionalen Klimaprojektionen und Standortfaktoren verknüpft werden. Neben der Auswahl geeigneter Kulturarten und Sorten sind Fruchtfolgen ein zentrales Steuerungsinstrument unter veränderten Niederschlagsbedingungen. Durch die optimale Kombination von Sommerungen und Winterungen, Halm- und Blattfrüchten sowie tief- und flachwurzelnden Kulturen lässt sich der Bodenwasserhaushalt stabilisieren. Zwischenfrüchte und Untersaaten tragen dazu bei, Bodenstruktur, Infiltration und Wasserspeicherfähigkeit zu verbessern und Erosion zu vermeiden.
Eng damit verknüpft ist die Frage der Bodenbearbeitung: Reduzierte Boden-Bearbeitungsverfahren können helfen, Bodenwasser zu konservieren und organische Substanz zu erhalten, um so die Funktionsfähigkeit des Bodens auch unter Dürrebedingungen zu sichern. Darüber hinaus untersuchen wir am JKI, inwieweit alternative Anbausysteme wie Agroforst und Mischkulturen zur Anpassung an veränderte Niederschlagsmuster beitragen können (Projekt KlimAF), ebenso wie Spotfarming-Systeme.
Das JKI arbeitet in internationalen Forschungsverbünden, unter anderem mit Australien, daran, Sorghum als robuste Alternative zu etablieren und fest in hiesige Anbausysteme zu integrieren (siehe Projekte SORGHUM und SorBOOM).
Am JKI arbeiten wir daran, Anbausysteme zu entwickeln und zu bewerten, bei denen sich die Anpassung an veränderte Niederschlagsmuster nicht an einer einzelnen Stellschraube entscheidet. Im Fokus stehen Systeme, in denen einzelne Maßnahmen gezielt aufeinander abgestimmt sind und gemeinsam auf Wassermangel und Witterungsvariabilität reagieren können. Im „Leitbetrieb Ackerbau“ werden diese Systemansätze in langfristigen Versuchen unter Praxisbedingungen erprobt, mit dem Ziel, robuste Anbausysteme zu identifizieren, die nicht maximale Erträge unter Idealbedingungen anstreben, sondern verlässliche Leistungen unter volatilen Klimabedingungen liefern.
Ein weiterer zentraler Ansatzpunkt ist die Diversifizierung der Anbausysteme durch die Etablierung neuer, trockentoleranter Kulturarten.
„Ein vielversprechendes Beispiel ist die Sorghum-Hirse. Als C4-Pflanze besitzt sie einen entscheidenden physiologischen Vorteil gegenüber vielen heimischen C3-Kulturen: Sie nutzt Wasser effizienter, da sie für die gleiche CO2-Aufnahme zur Photosynthese deutlich weniger Feuchtigkeit über die Blätter transpiriert“, erläutert Dr. Lorenz Kottmann.
Wasser in der Agrarlandschaft: Nutzung und Regulation im Zusammenspiel
Die Landwirtschaft ist nicht nur Wassernutzer, sondern kann aktiv zur Stabilisierung der hydrologischen Kreisläufe beitragen. Eine besondere Bedeutung kommt hierbei den Kleingewässern zu. In Deutschland existieren rund 290.000 solcher kleinen Standgewässer, davon etwa 60.000 direkt in Agrarlandschaften.
„Stehende Kleingewässer sind als Refugien, Biodiversitäts-Hotspots und Vernetzungshabitate ökologisch bedeutsam, zugleich aber wegen geringer Wasservolumina, kleiner Einzugsgebiete und der Nähe zu landwirtschaftlichen Eintragsquellen besonders vulnerabel“, erklärt Dr. Stefan Lorenz vom JKI-Institut für ökologische Chemie, Pflanzenanalytik und Vorratsschutz. „Hier wird sichtbar, wie Einträge, Habitatstrukturen und biologische Gemeinschaften zusammenwirken.“
Monitoring und Modellierung
Um Risiken abzuschätzen, bevor Schäden eintreten, nutzt das JKI Modellierungsinstrumente wie SYNOPS, welches im Kontext des Nationalen Aktionsplans zur Bewertung der Gefährdung von Oberflächengewässern durch Pflanzenschutzmittel etabliert wurde. SYNOPS bildet nationale Trends ab, unterstützt räumlich differenzierte Analysen und ermöglicht Bewertungen bis auf Schlag- bzw. Flächenniveau. Diese Prognosen validieren wir durch langjährige Ist-Beobachtungen (siehe Projekte NAP und Stopp). Erst die gemeinsame Betrachtung von chemischen Belastungsindikatoren (z. B. Pflanzenschutzmittel, Nährstoffe) und biologischen Parametern (z. B. Gewässer- und Uferstrukturen, Organismengemeinschaften) erlaubt es, Ursache-Wirkungs-Beziehungen zu klären und die ökologische Selbstregulation der Gewässer zu stärken.
Synergien von grüner und blauer Infrastruktur
Unsere Forschung unterstreicht die enge Wechselwirkung zwischen Vegetation („grüner Infrastruktur“) und Wasser („blauer Infrastruktur“). Anders als die reine Bodenverdunstung (Evaporation) steuern Pflanzen über die Abgabe von Wasser an die Atmosphäre (Transpiration) und das Verdunsten von aufgefangenem Niederschlag (Interzeption) aktiv den Feuchtetransport und entfalten eine kühlende Wirkung auf die Landschaft.
Um den Wasserrückhalt effektiv zu fördern, ist ein Zusammenspiel verschiedener Maßnahmen auf der Fläche notwendig: So reduzieren dauerhafte Strukturelemente wie Hecken, Agroforstsysteme und Blühstreifen die Windgeschwindigkeit und mindern dadurch Verdunstungsverluste. Ergänzend dazu verbessern ackerbauliche Strategien wie Mulchen, Humusaufbau und eine reduzierte Bodenbearbeitung die Infiltration und die Speicherfähigkeit des Bodens.
Auch die Beimpfung von Saatgut oder Pflanzenwurzeln mit nützlichen Mikroorganismen kann die Nährstoff- und Wasserversorgung der Pflanzen verbessern und somit Trockenstress abmildern, wie wir in aktuellen Projekten (u. a. Micro2Health, PrimedPlant) untersuchen.
Allerdings bestehen auch Zielkonflikte: Während der Anbau von Zwischenfrüchten hilft, mineralisierten Stickstoff vor der Auswaschung zu schützen, steht mancherorts nicht hinreichend Wasser zur Verfügung, um nach der Hauptfrucht noch sicher eine Zwischenfrucht zu etablieren. Als Forschungspartner begleiten wir ein Demonstrationsprojekt und untersuchen die Effekte des Anstauens von Bewässerungsgräben auf Schadstoff- und Nährstoffdynamik im Gewässer und in der Anbaufläche. Über das langjährige Monitoring von PSM-Wirkstoffen in stehenden Kleingewässern in Nordostdeutschland untersuchen wir Stofftransportpfade und hydrologische Konnektivitäten, um geeignete Maßnahmen zum Schutz unseres Wasserkörpers zu entwickeln. >> Link
Wasserwiederverwendung: Zwischen Ressourceneffizienz und Risikominimierung
Während in vielen Regionen weltweit die Wiederverwendung von aufbereitetem Wasser (Water Reuse) bereits gängige Praxis ist, wird sie in Deutschland zunehmend als Option diskutiert, um Nutzungskonkurrenzen zu entschärfen. Die Tragfähigkeit dieses Ansatzes für die Nahrungsmittelproduktion hängt jedoch maßgeblich von der Wasserqualität ab.
Aus der One-Health-Perspektive (der ganzheitlichen Betrachtung der Gesundheit von Mensch, Tier, Pflanze und Umwelt) ist die Wiederverwendung nur vertretbar, wenn Risiken verlässlich kontrolliert werden. Neben klassischen Schadstoffen rücken dabei mikrobiologische Risiken und Mikroschadstoffe in den Fokus. Besonders kritisch sind Rückstände von Antibiotika, die die Ausbildung und Verbreitung von Antibiotikaresistenzen bei Bakterien begünstigen können.
Unsere Untersuchungen in Forschungsverbünden wie PlantInfect (1 & 2) oder dem TrophicHealth-Konsortium zeigen, dass Kontaminationen an verschiedenen Stellen der Produktionskette eingetragen werden können.
„Pflanzliche Erzeugnisse, vor allem wenn sie roh oder nur nach geringer Bearbeitung konsumiert werden, bedürfen sehr hoher Qualitätskontrollen“, betont Prof. Adam Schikora. „Sie können über die gesamte Wachstumsphase sowie nach der Ernte mit Wasser in Kontakt kommen, etwa durch Beregnung oder Reinigung. Werden dabei Qualität und Sicherheit nicht gewährleistet, können Pflanzen zur Eintrittspforte für Schadstoffe, resistente Bakterien oder Humanpathogene werden.“
Ziel unserer Forschung ist es daher, Eintrags- und Verbreitungspfade so präzise zu verstehen und zu beschreiben, dass wirksame Anforderungen an Monitoring und Prozesskontrolle abgeleitet werden können. Nur so lassen sich Umwelt- und Gesundheitsrisiken minimieren.
