Agrar-Professor: Mehr CO₂, mehr Vegetation – Das „Umweltgift“ sichert unser Überleben

Kohlenstoffdioxid wird oft als Treibhausgas, atmosphärischer Müll oder Umweltgift bezeichnet, dabei ist es alles andere als überflüssig. Steigende CO₂-Konzentrationen können maßgeblich zur Linderung des Welthungers beitragen, denn sie fördern das Pflanzenwachstum – und sichern dadurch das Überleben aller Lebewesen, einschließlich des Menschen.
CO₂ fördert das Pflanzenwachstum. Um die Erträge zu steigern, blasen Gärtner es zusätzlich in ihre Gewächshäuser.
CO₂ fördert das Pflanzenwachstum. Um die Erträge zu steigern, blasen Gärtner es zusätzlich in ihre Gewächshäuser.Foto: iStock

Kohlenstoff ist ein Grundbaustein des Lebens. In Verbindung mit Sauerstoff, als Kohlenstoffdioxid, gilt es weithin als Ursache der Erderwärmung. Den Anstieg des atmosphärischen CO₂-Gehaltes habe dabei der Mensch verursacht.

Basis dafür ist das vom Weltklimarat (IPCC) vertretene Modell, wonach das anthropogene – menschengemachte – CO₂ fast ausschließlich für die Erderwärmung verantwortlich ist.¹ Es wird eine rasche Dekarbonisierung in Verbindung mit CO₂-Absaugung und -Verklappung, sogenannte CCS-Verfahren, gefordert. Ziel ist die CO₂-Nullemission, andernfalls drohe eine Klimakatastrophe mit unübersehbaren Folgen für die Menschheit und die Ökosysteme.

Diese Ansicht wurde inzwischen von Öffentlichkeit und Medien angenommen und CO₂ als Killer- beziehungsweise Schmutzgas oder Umweltgift bezeichnet. Kohlenstoff ist jedoch neben Wasser als wichtigster Baustoff für fast alle Organismen unentbehrlich, weswegen die CO₂-Konzentration nicht nach Belieben reduziert werden kann.

Einige Fakten zum CO₂

Kohlenstoffdioxid (CO₂) ist ein farb- und geruchloses Spurengas von großer praktischer Bedeutung. Es macht Getränke sprudelig und löscht Flugzeugbrände, es kühlt, reinigt und düngt. Zudem ist es Grundstoff in der chemischen Industrie, die daraus viele nützliche Dinge produziert. So groß der Nutzen sein mag, das meiste CO₂ in der Natur ist gebunden in kalkhaltigen Gesteinen. In der Atmosphäre spielt es eine eher untergeordnete Rolle, lediglich 0,04 Volumenprozent unserer Luft entfallen auf Kohlenstoffdioxid.

In dieser Konzentration ist es für den Menschen ungiftig. Bei mehr als der hundertfachen Konzentration (über 4 Prozent), wie in manchen Höhlen, behindert es die Sauerstoffaufnahme und kann Kopfschmerzen sowie, bei längerer Einwirkung, auch Bewusstlosigkeit auslösen. Tödlich ist es in diesem Sinne nicht, behindert jedoch durch Sauerstoffmangel lebensnotwendige Stoffwechselprozesse.

Neben seiner biologischen Bedeutung spielt Kohlenstoffdioxid eine Rolle als Treibhausgas neben Methan (CH4), Lachgas oder Distickstoffoxid (N2O) und fluorierten Kohlenwasserstoffen, sogenannter F-Gase (HFKW, FKW, SF6, NF3). Letztere kommen in der Natur normalerweise nicht vor, ihr Treibhauspotenzial liegt jedoch 1.000 bis 24.000-mal über dem von Kohlenstoffdioxid.

Das Treibhausgas CO₂ in Zukunft und Vergangenheit

Für CO₂ hat man ausgerechnet, dass eine Verdopplung der atmosphärischen Konzentration zu einem Temperaturanstieg von 0,4 und 1,1° C führt, woraus der IPCC durch den rechnerischen Einbezug einer fiktiven Treibhauswirkung von Wasserdampf Temperaturanstiege von mehr als 3° C prognostiziert. All diese Werte konnten jedoch bislang nicht hinreichend experimentell bestätigt werden und sind in der Fachliteratur stark umstritten.²³⁴

Zudem gehen circa 95 Prozent der CO₂-Emissionen auf natürliche Prozesse und nur 5 Prozent auf menschliche Aktivitäten zurück. Von letzteren verbleiben höchstens 40 Prozent (also zwei Prozent der Gesamtemissionen) in der Atmosphäre und verursachen maximal einen Anstieg von 0,0002 Prozent pro Jahr der Luft-CO2-Konzentration – oder 0,02 Prozent in 100 Jahren.⁵

Die Unsicherheiten der Auswirkungen von CO₂ spiegeln sich auch in den Vorhersagen des IPCC wider. Nahezu alle Modelle – der Durchschnitt aller Modelle in Rot – liegen deutlich über den Messwerten der Wetterballons (grün).

Ein Blick in die Erdgeschichte zeigt zudem, dass es meist Zeiten mit bis zu 15-mal höheren, manchmal auch niedrigeren CO₂-Konzentrationen gegeben hat. Selbst in diesen Zeiten gab es Eiszeiten.

Bedeutung von CO₂ für das Leben

Grüne Pflanzen bilden aus CO₂ und Wasser mittels Fotosynthese Kohlenhydrate, genutzt wird dazu Sonnenenergie. Dabei wird Sauerstoff freigesetzt, den Mensch und Tier für die Atmung brauchen. Kohlenhydrate sind Ausgangsstoffe für weitere Grundsubstanzen wie Eiweiße und Nukleinsäuren der Pflanzen. Diese wiederum sind die Nahrungs- und Energiegrundlage unter anderem für den Menschen.

Das bedeutet, dass es ohne CO₂ kein Leben auf der Erde gäbe. Daraus folgt aber auch, dass für die Sicherung der Welternährung ausreichende atmosphärische CO₂-Konzentrationen erforderlich sind. Dabei ist der aktuelle CO₂-Gehalt von 0,04 Prozent für Pflanzen nicht optimal. In dichten Pflanzenbeständen und bei Windstille sinkt der Wert oft unter 0,01 Prozent ab.⁶ Bei dieser Konzentration stellen sogenannte C3-Pflanzen, zu denen fast alle unserer Kulturpflanzen zählen, je nach Licht- und Temperaturbedingungen ihre Nettostoffbildung ein. Nur C4-Pflanzen wie Mais und Hirse können geringere CO₂-Konzentrationen verwerten.

Das heißt, bei weniger als 0,025 bis 0,01 Prozent Kohlendioxid in der Atmosphäre kann ein Großteil unsere Pflanzen nicht wachsen. In Gewächshäusern wird deshalb zusätzlich CO₂ zugeführt, um tagsüber CO₂-Konzentrationen von etwa 0,1 Prozent zu gewährleisten und dadurch Wachstum und Ertrag zu steigern. Anders gesagt: Es besteht offensichtlich ein Zielkonflikt zwischen Dekarbonisierung und Ernährungssicherung der Weltbevölkerung.

Mehr CO₂ führt weltweit zu erhöhtem Pflanzenwachstum

Der Anstieg der atmosphärischen CO₂-Konzentration um circa 0,01 Prozent seit 100 Jahren führte weltweit zu erhöhtem Pflanzenwachstum. Das zeigen mehrere satellitengestützte Studien.² So erhöhte sich die globale Vegetationsdecke in dieser Zeit um rund 11 bis 14 Prozent und dies wird zu 70 Prozent dem gestiegenen CO₂-Gehalt der Luft zugeschrieben.

Auffällig ist das Ergrünen vor allem in ariden Gebieten wie südlich der Sahara. Während des sogenannten Sahelwunders wuchs die Pflanzendecke der Sahelzone in den letzten 30 Jahren um acht Prozent. Und obwohl die Dezimierung tropischer Regenwälder, vor allem für die Palmöl- und Sojaversorgung Europas und Chinas, weiter andauert, stieg seit 1982 der globale Baumbestand netto um circa 7,1 Prozent.

Dieser Zuwachs entspricht einer Fläche etwa so groß wie Europa und die USA zusammen und verteilt sich über alle Erdteile und Ökosysteme. Davon werden dem CO₂-Dünge-Effekt beziehungsweise dem Klimawandel 40 Prozent und direkten menschlichen Aktivitäten 60 Prozent zugemessen. Neueste Studien besagen zudem, dass bis zu 9.000 Baumarten noch entdeckt werden müssen.⁷

Dieser Kohlendioxid-Dünge-Effekt wirkt sich natürlich auch auf die Landwirtschaft aus. So wuchsen die Erträge – Erntemenge pro Fläche – der vier wichtigsten Nahrungsmittelkulturen im globalen Maßstab zwischen 1990 und 2019 kräftig: Der Weizenertrag stieg im Vergleich zu 1990 auf 328 Prozent, gefolgt von Mais (300 Prozent), Reis (251 Prozent) und Soja (244 Prozent).

Eine experimentelle Erhöhung des CO₂-Gehalts von 0,035 auf 0,055 Prozent zeigte in Freiland- und Laborversuchen insbesondere für C3-Pflanzen Ertragssteigerung von bis zu 30 Prozent. Aufgrund der Vielzahl der Untersuchungen können diese Werte als gesichert gelten. Mehr Kohlenstoffdioxid in der Atmosphäre hilft damit den chronischen Hunger in der sogenannten Dritten Welt trotz fortdauernden Bevölkerungswachstums deutlich zu mildern.

Einfluss auf die Qualität des Ernteguts

Die CO₂-bedingten Ertragszuwächse beruhen auf einer Steigerung der Fotosyntheseleistung. Voraussetzungen für die Ausnutzung des CO₂-Düngeeffekts sind jedoch eine ausreichende Nährstoff- und Wasserversorgung, wobei jede Pflanzenart unterschiedliche Vorlieben hat.

Gleichzeitig verringern Pflanzen bei erhöhtem CO₂-Angebot ihre Spaltöffnungsweite. Dadurch verdunsten sie weniger Wasser, was wiederum ihren relativen Wasserverbrauch – pro kg Massezuwachs – verringert. Dadurch wird auch erklärbar, dass der globale Biomassezuwachs von 1981 bis 2011 ohne zusätzlichen Wasserverbrauch vonstattenging.⁴

Auf der anderen Seite gibt es Befunde, dass die Mehrerträge mit einem Qualitätsverlust des Ernteguts wie Verringerung der Nährstoffgehalte einhergehen kann. Diesen Aspekt des CO₂-Anstiegs haben verschiedene Medien aufgegriffen und titelten „Hungern mit vollem Magen“ und „Schwund“ von Nährstoffen.

Nähere Analysen zeigen jedoch, dass dies durch sogenannte Verdünnungseffekte – mehr Stoffbildung bei gleichbleibendem Nährstoffangebot – oder schlechter Nährstoffverfügbarkeit, insbesondere von Stickstoff und Phosphor, im Boden beziehungsweise unzureichender Düngung  verursacht wird. Dies lässt sich durch eine angepasste Düngung und die Verwendung beziehungsweise Züchtung von trockentoleranten Sorten mit effektiver Nährstoffverwertung kompensieren.

Schlussfolgerungen

Das atmosphärische Spurengas CO₂ ist für Mensch und Tier ungiftig. Sein durch den Menschen verursachter Konzentrationsanstieg von 0,03 auf 0,04 Prozent wird von den Modellen des Klimarats für die derzeitige Erderwärmung verantwortlich gemacht, was von vielen experimentell ausgerichteten Wissenschaftlern bezweifelt wird.

Unbestritten ist jedoch, dass CO₂ zusammen mit Wasser die Grundlage für das irdische Leben und daher ein Lebenselixier und kein Schmutzgas ist. Der steigende atmosphärische CO₂-Gehalt hat zur weltweiten Vegetations- und Ertragszunahme und Erhöhung der Wassernutzungseffizienz geführt.

Dies könnte zur Sicherung der Nahrungsproduktion für die wachsende Weltbevölkerung beitragen. Eine rigorose Dekarbonisierung würde dieses Ziel infolge unzureichender Pflanzenproduktion gefährden.

Prof. Dr. agr. habil. Wolfgang Merbach studierte Landwirtschaft und Chemie an der Universität Jena, wo er auch promovierte. Danach war er als Wissenschaftler an der Universität Halle-Wittenberg, am Forschungszentrum für Bodenfruchtbarkeit bzw. ab 1990 im Zentrum für Agrarlandschaftsforschung (ZALF) in Müncheberg/Mark in verschiedenen Funktionen (z. B. 1991-1997 Institutsdirektor im ZALF, 2000-2003 Dekan der Landwirtschaftlichen Fakultät der Universität Halle) tätig. Seine Forschungsfelder betrafen u. a. die pflanzliche CO2-Fixierung und den Umsatz von klimarelevanten Spurengasen in Ökosystemen.

Prof. Merbach ist Autor/Mitautor von mehr als 450 Publikationen und Herausgeber/Autor von mehr als 35 Büchern beziehungsweise Tagungsbänden, Mitglied in mehreren Redaktionskollegien wissenschaftlicher Zeitschriften. Als Chairman des International Council of the Society of Sustainable Agriculture and Resource Management (1996-2009) befasste er sich auch mit Fragen der Welternährung. Neben seiner fachlichen Arbeit engagiert sich Prof. Merbach seit vielen Jahren ehrenamtlich in der CDU. 2016 wurde ihm das Bundesverdienstkreuz verliehen.

Quellen:

(1) IPCC (2015); doi.org/10013/epic.45156.d001

(2) Merbach et al. (2020); doi.org/10.2478/boku-2020-0019

(3) Vahrenholt, Lüning (2020); ISBN:978-3-7844-3553-4

(4) Cheng et al. (2017): doi.org/10.1038/s41467-017-00114-5

(5) Dahm et al. (2015); ISBN 978-3-89574-879-0, S. 57 – 60

(6) Schilling (2000); ISBN: 3-8252-8189-2

(7) Gatti et al. (2022); doi.org/10.1073/pnas.2115329119



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