Nachhaltige Bewässerung bei fortschreitendem Klimawandel

„Die Ausweitung bewässerter Flächen ist eine der wenigen Möglichkeiten, Erträge in der Landwirtschaft zu erhöhen und auch unter Klimawandel substanziell mehr Nahrungsmittel zu produzieren. Bisherige Schätzungen dieses Potenzials haben nicht ausreichend berücksichtigt, ob und wie der zusätzliche Wasserbedarf gedeckt werden kann. Dies abzuschätzen, ist der wichtigste Beitrag dieser Studie in PNAS.“

„Es bleiben trotzdem große Unsicherheiten. So stammt die Verteilung der angebauten Feldfrüchte, Aussaat- und Erntezeiten sowie Erträge aus einem Zeitraum um das Jahr 2000, auch für die Simulationen mit 3 Grad globaler Temperaturerhöhung. Die Reaktionen der angebauten Pflanzen auf die Erhöhung der Temperatur und der CO₂-Konzentration werden nicht berücksichtigt. Somit ist die aktuelle Studie ein wichtiger Schritt zur Verringerung bestehender Unsicherheiten, aber es bleibt noch ein weiter Weg zu gehen.“

„Deutschland wird in der Studie bereits heute fast komplett als Trockenstressgebiet ausgewiesen (Abbildung 1A), bei 3 Grad globaler Erwärmung kommen noch einmal 2 Millionen Hektar im Westen und Süden des Landes hinzu (Abbildung 1B). Dies ist sicher richtig, das Jahr 2018 ist ja noch gut in Erinnerung. Dennoch wird in Deutschland Bewässerung nur in einigen Regionen großflächig genutzt – zum Beispiel in Nordostniedersachsen, im Hessischen Ried oder im Rheintal –, denn Bewässerung ist teuer. Landwirte akzeptieren stattdessen die Ertragseinbußen in Trockenjahren oder bauen auf gefährdeten Flächen Kulturen an, die schon früh geerntet werden und deshalb weniger betroffen sind. Ob das auch in Zukunft so bleibt, wird man sehen. Sollten die Preise für landwirtschaftliche Produkte deutlich steigen, könnte Bewässerung großflächig interessant werden.“

„Generell ist wichtig zu erwähnen, dass global gesehen – und auch für Deutschland – die Veränderungen der nachhaltig bewässerbaren Flächen, des dafür nötigen Wasserbedarfs sowie der zusätzlich ernährbaren Menschen unter dem geänderten Klima gering ist, verglichen mit den bereits heute bestehenden Möglichkeiten (Abbildung 3). Somit sollte der Fokus eher auf den heute bereits bestehenden Möglichkeiten und weniger auf den Klimawandeleffekten sein.“

Auf die Frage, welche Konkurrenzen zu anderen Wassernutzungen am ehesten entstehen könnten, wenn mehr Wasser für die Bewässerung beansprucht würde:
„Probleme wie sinkende Grundwasserstände oder niedrige Pegel in den Flüssen müssen immer regional untersucht werden. In Niedersachsen zum Beispiel gibt es strenge Vorgaben, wieviel Wasser von den Landwirten gepumpt werden darf. Diese Mengen sind schon heute häufig nicht ausreichend. Sektoren, die schnell von stärkeren Wasserentnahmen der Landwirtschaft betroffen sein könnten, sind die Elektrizitätserzeugung – wenn etwa keine Kühlwasserentnahmen mehr erlaubt ist bei zu hoher Wassertemperatur in den Flüssen – oder die Binnenschifffahrt wegen zu niedriger Pegel.“

„ Der von den Autoren verwendete Ansatz zur Unterscheidung von ‚soft path‘ und ‚hard path‘ ist sehr simpel und nicht gut anwendbar auf Deutschland. Von ‚soft path‘ sprechen die Autoren, wenn nur kurzfristiger Wasserspeicherbedarf zur Erweiterung der Bewässerung nötig ist; wenn die Speicher saisonale Defizite ausgleichen müssen von ‚hard path‘. Es ist prinzipiell fraglich, ob viele kleine Speicher wirklich einfacher zu bauen und zu unterhalten sind als einige große Speicher. Da in Deutschland Wasserentnahmen für Bewässerung überwiegend aus dem Grundwasser erfolgen und Entnahmen im Sommer durch die Grundwasserneubildung im Winter ausgeglichen werden, ist dieser ‚hard path‘ (den die Autoren der Studie als den Weg der Wahl für Deutschland sehen, Anm. d. Red.) nicht wirklich hart.“

Auf die Frage, welche Rolle Deutschland für die Ernährungssicherheit der Welt zukommt oder wie angewiesen Deutschland auf Importe von Nahrungsmittel ist:
„Deutschland hat bezogen auf Nahrungsmittel eine relativ ausgeglichene Bilanz – der Nettoimport bezogen auf kcal-Energiebedarf pro Kopf ist nahe null. Insofern ist Deutschland in Bezug auf die Welternährung weniger relevant. Weltweit gibt es nur wenige Nettoexporteure, wie zu Beispiel Australien, die USA, Kanada, Brasilien, Argentinien, Kasachstan oder Frankreich. Die meisten Länder sind Nettoimporteure und diese Handelsflüsse sind wichtig für die Befriedigung des Nahrungsmittelbedarfs [1].“

„Die Autoren adressieren ein Thema von großer gesellschaftlicher und wissenschaftlicher Relevanz. Die Ernährung einer wachsenden Weltbevölkerung wird wohl nur durch eine Erweiterung bewässerter Landwirtschaft zu erreichen sein. Durch die wegen der globalen Erwärmung beobachtete und zukünftig erwartete weitere Veränderung des Wasserkreislaufs werden belastbare Abschätzungen zur Wasserverfügbarkeit und zum Bewässerungspotential dringend benötigt.“

„Bewässerung und Entscheidungen im Wassermanagement finden weltweit auf regionaler und lokaler Ebene statt. Der globale Ansatz der aktuellen Studie und die verwendeten Modelle und Datensätze sind deshalb nur bedingt geeignet, Entscheidungen in der Planung von potentiellen Erweiterungen der Bewässerung wirklich zu unterstützen.“

„In der Studie wird eine räumliche Modellauflösung von etwa 50 Kilometern mal 50 Kilometern verwendet. Das ist viel zu grob, um zum Beispiel den Einfluss von Grundwasserentnahmen adäquat beschreiben zu können, ebenso wenig Infiltrationsprozesse bei der Bewässerung oder Abflussbildungsprozesse zur Füllung von Reservoiren. Auch die benutzte zeitliche monatliche Auflösung der Meteorologie-Daten ist meiner Meinung nach ungeeignet: Denn es ist ja ein großer Unterscheid für die Abflussbildung und damit das Füllen von Reservoiren, ob etwa der monatliche Summenniederschlag in einem einzelnen Ereignis fällt oder gleichmäßig auf alle Tage eines Monats verteilt ist.“

„Bei den flächenhaften historischen Meteorologie-Daten gibt es sehr große Unsicherheiten. Unterschiedliche Datenzentren kommen in fast allen Regionen weltweit zu sehr unterschiedlichen Niederschlagsmengen, Temperaturen oder Verdunstungsmengen. Wie bereits in [3] detailliert gezeigt, kann der Unterschied beim Niederschlag regional in der Größenordnung des Jahresniederschlags von Deutschland liegen. Da in der Studie für die beobachtete Vergangenheit nur jeweils ein einzelner Datensatz benutzt wird, lässt sich nicht auf die Robustheit der Schlußfolgerungen schließen. Man muss sich bewusst sein, dass mit den Beobachtungsdatensätzen selbst die einfache Schließung der langfristigen Wasserbilanz – also Verdunstungs- plus Abflussmengen gleich Niederschlagsmenge – nicht erreicht wird. Es bleiben meistens Abweichungen in der Größenordnung von 25 Prozent des mittleren jährlichen Abflusses [4]. Nur so ungenau kennen wir letztlich den großskaligen Wasserhaushalt!“

„Entsprechend müssten in der Studie Unsicherheitsspannen der gesamten Modellkette und damit der weitreichenden Schlussfolgerungen quantifiziert werden, denn sie sind für das Ableiten von Bewässerungspotentialen zwingend notwendig. Auch die verwendeten Klimaläufe haben in der Regel sehr große gerichtete Fehler in der modellierten Hydrometeorologie, besonders im Niederschlag. Hier sind Biaskorrektur-Verfahren einzusetzen, und vor allem muss die Qualität und die Güte der Simulationen aufgezeigt und validiert werden. Überhaupt wird einer rigiden Validierung der Ansätze in der Studie wenig bis keine Beachtung gewidmet.“

„Die Studie verwendet insgesamt sehr einfache Ansätze, die für sich genommen nicht immer die zur Beantwortung der Fragestellung notwendige Komplexität haben. Die abgeleiteten Karten suggerieren, dass man das Bewässerungspotential regional robust quantifiziert hat. Ohne ausreichende Validierung vor Ort, in den Regionen, ohne Diskussion mit den regionalen Experten und Entscheidungsträgern, ohne Angabe von Unsicherheitsspannen und ohne Nutzung von Ensemble-basierter Ableitung von Wahrscheinlichkeiten können weitreichende Schlussfolgerungen wie in dieser Studie jedoch nur mit großer Vorsicht gesehen werden.“

„Zurzeit sind weltweit circa 300 Millionen Hektar – also etwa 20 Prozent der globalen Ackerbaufläche – für Bewässerung ausgerüstet [2], während auf den meisten Ackerbauflächen nur der Niederschlag die Feldfrüchte mit Wasser versorgt. Die globalskalige Studie von Rosa et al. schätzt ab, dass es unter heutigen Klimabedingungen nur auf 130 Millionen Hektar der globalen Ackerbaufläche so viel regnet, dass der Ertrag nicht aufgrund von Wassermangel reduziert wird, während dies bei einer Klimaerwärmung um drei Grad gegenüber der globalen Mitteltemperatur in vorindustrieller Zeit nur noch auf 60 Million Hektar der Fall sein wird, so dass Bewässerung zunehmend als eine Methode der Ertragssteigerung an Bedeutung gewinnt.“

„Die Studie schätzt erstmalig ab, auf welchen heute nicht bewässerten Ackerbauflächen genügend Wasserressourcen für eine Bewässerung zur Verfügung stehen, ohne die Umwelt allzu stark durch die Entnahme von Bewässerungswasser zu belasten. Falls keine großen Staudämme vorhanden sind und die Pflanzen optimal bewässert werden sollen, sind dies unter heutigem Klima 140 Millionen Hektar. In einer drei Grad wärmeren Welt, die sich in der zweiten Hälfte dieses Jahrhunderts einstellen könnte, wären dies nur 53 Millionen Hektar, aufgrund des gestiegenen Bewässerungsbedarfs und der veränderten Wasserressourcen. Die potentiell bewässerbaren Flächen steigen, wenn große Staudämme gebaut würden und Defizitbewässerung durchgeführt würde.“

„Für die Studie werden verschiedene Szenarien der Veränderung der Wasserressourcen verwendet, die von drei globalen hydrologischen Modellen berechnet wurden, die wiederum von drei globalen Klimamodellen angetrieben werden . Leider werden in der Studie nur Mittelwerte berichtet, während es bei allen Studien zu Auswirkungen des Klimawandels und zur Anpassung sinnvoll und Stand der Forschung ist, die Spannweite der Modellierungsergebnisse zu zeigen, um über die Unsicherheit der Abschätzungen zu informieren.“

„Auf der Weltkarte (Abbildung 1A) ist zu sehen, dass heute schon große Teil Deutschlands unter Wasserknappheit für Feldfrüchte – gemäß der Definition in der Studie – leiden, erwartungsgemäß eher im trockenen Osten. Dennoch wird dort heute unbewässerter Ackerbau betrieben, es gibt in Deutschland bislang sehr wenig Bewässerung – zu erkennen an den braunen Flächen in Abbildung 2A. Auf den Weltkarten (Abbildung 2) kann man auch erkennen, dass laut dieser Studie in Deutschland unter heutigen und zukünftigen Klimabedingungen ein Ausbau der Bewässerung für neue Flächen möglich wäre: Aufgrund des Klimawandels wird Deutschland außer im Voralpenraum blau – das bedeutet: Bewässerung ist möglich, wenn große Staudämme den Abfluss eines Jahres speichern würden oder die Grundwasserspeicher entsprechend groß sind –, während es heute noch grüne Regionen gibt, in denen Bewässerung nichts bringt, und rosa Gegenden, in denen kleine Wasserspeicher den Abfluss eines Monats speichern können.“

„Mit ‚hard-path‘ (den die Autoren der Studie als den Weg der Wahl für Deutschland sehen, Anm. d. Red.) meinen die Autoren der Studie den Weg, bei dem das Wasser über ein Jahr gespeichert werden kann, um die monatliche Variabilität der Abflussgenerierung auszugleichen. Das ist nicht nur durch große Stauseen möglich, sondern auch, wenn Grundwasser aus genügend großen Grundwasserspeichern entnommen werden kann. In Deutschland geschieht Bewässerung vorwiegend aus dem Grundwasser. Es ist zu erwarten, dass Landwirte mit fortschreitendem Klimawandel – Stichwort trockenere Sommer – vermehrt bewässern wollen. Ich denke nicht, dass in Deutschland neue Staudämme für Bewässerung genehmigt werden, aufgrund der ökologischen Folgen von Staudämmen, so dass voraussichtlich neue Grundwasserentnahmen beantragt werden.“

„Erhöhte Grundwasserentnahmen für Bewässerung stehen zum einen in Konkurrenz mit Wasserentnahmen für Haushalte und Industrie, von denen aber nicht angenommen wird, dass sie in Zukunft bedeutend zunehmen. Weit wichtiger ist die Konkurrenz mit der Natur. Jegliche Abnahme von Grundwasserspeicherung und den daraus resultierenden verringerten Wasserflüssen in Flüssen während des Sommers, hat negative Auswirkungen für die nicht-menschlichen Lebewesen, die aber bislang sehr schwer zu quantifizieren sind. Dies ist auch die Schwierigkeit bei der Bestimmung und Genehmigung von zusätzlichen Wasserentnahmemengen für die Bewässerungslandwirtschaft.“

Auf die Frage, welche Rolle Deutschland für die Ernährungssicherheit der Welt zukommt oder wie angewiesen Deutschland auf Importe von Nahrungsmittel ist:
„Die Studie befasst sich nicht mit den Mengen von Nahrungsmitteln. Zu beachten ist, dass die Gesamtwassermenge – als Regen und Bewässerungswasser –, die für die Produktion einer bestimmten Menge von Feldfrüchten notwendig sein wird, durch den Anstieg der CO₂-Konzentration in der Atmosphäre abnimmt. Dies wurde in der Studie nicht berücksichtigt.“

„Deutschland ist auf Importe von Nahrungsmitteln angewiesen. Deutsche Konsument*innen bezahlen für Feldfrüchte, die in anderen Ländern produziert werden – zum Beispiel Kaffee, Obst und Gemüse – und tragen dadurch zum Einkommen der Bauern und damit indirekt zu deren Ernährungssicherheit bei. Wie sich das in Zukunft möglicherweise ändern wird, hängt von einer Vielzahl von Faktoren ab. Die negativen Auswirkungen des Klimawandels auf den Ertrag werden in den meisten Ländern stärker sein als in Deutschland.“

„Die Studie verwendet neuere Ergebnisse des CMIP5 (Coupled Model Intercomparison Project) von 2013 für die Analyse des Einflusses auf den zukünftigen Pflanzenwasserbedarf. Im Gegensatz dazu fußen die verwendeten Modelle zur Berechnung des Pflanzenwasserbedarfs auf FAO-Standards [5][6] (FAO: Food and Agriculture Organization of the United Nations, Ernährungs- und Landwirtschaftsorganisation der Vereinten Nationen; Anm. d. Red.), deren Pflanzen-Parameter aus Bewässerungsexperimenten mit Pflanzensorten unter Bedingungen der Vollbewässerung und ‚naiven Defizitbewässerung‘ in den 1960er-, 1970er- und 1980er-Jahren ermittelt worden sind. Daher enthält die Studie große Unsicherheiten hinsichtlich des Einflusses des technologischen Fortschritts – zum Beispiel die Pflanzenentwicklung – und den Verbesserungen der Pflanzen hinsichtlich der Photosynthese-Effizienz und Widerstandfähigkeit gegen Trockenheit. Diese Probleme versucht das neuere Ertragsmodell der FAO ‚Aquacrop‘ [7] zu verbessern. Bei der Pflanzenmodellierung stehen wir aber vor großen Herausforderungen. Ähnliches gilt für die Prognose anderer Faktoren, die die Nahrungsmittelproduktion beeinflussen, wie den Welthandel, Ernährungsgewohnheiten, Preisentwicklung, Düngemittelverfügbarkeit und so weiter.“

„Zusammengefasst: Die Abhängigkeit des Wasserbedarfs der Pflanzen von Temperatur und Verdunstung ist unbestreitbar. Qualitativ wird es zukünftig zu höherer Verdunstung in der Landwirtschaft kommen, aber die Menge ist schwer zu quantifizieren, da es große Potenziale in der Anpassungsfähigkeit gibt und große Unsicherheiten in der weltweiten Modellierung.“

„Die Trockenjahre 2017 bis 2019 machen die Herausforderungen in Deutschland sehr deutlich. Eine Ausweitung der Bewässerungslandwirtschaft ist möglich, benötigt aber andere Rahmenbedingungen. Denn oft sind Wasserressourcen nicht dort verfügbar, wo sie gebraucht werden. Ein Beispiel dafür ist Sachsen: Wasser wird auch in Zukunft im Erzgebirge und Lausitzer Gebirge im Überschuss vorhanden sein. Die Gebiete mit Bewässerungsbedarf sind jedoch Nordost- und Nordwestsachsen [8] – wir benötigen also Überleitungen. Darüber hinaus ist Bewässerung für Feldfrüchte in Deutschland (noch) nicht ökonomisch sinnvoll. Beregnet werden vorrangig Gemüse, Obst und Wein. Zusätzlich müsste auch das Wasserrecht in Deutschland reformiert werden. Die Vergabe von Entnahmeerlaubnissen benötigt mehr Fachinformationen.“

„Die in der Studie beschriebenen Anpassungsszenarien halte ich für relativ willkürlich gewählt. Insbesondere das ‚hard-path'-Szenario berücksichtigt nicht die gegenwärtige Struktur der vorhandenen Stauanlagen und Überleitungen. Die Entwicklung zukünftiger Infrastruktur ist abhängig von der Finanzierbarkeit (z.B. in Afrika) und hat Grenzen, da ökologische Mindestabflüsse eingehalten und ökologische Auswirkungen minimiert werden müssen."

Auf die Frage, wie sich die globale Nahrungsmittelverteilung verändern könnte, wenn künftig in großen Regionen zusätzliche Bewässerung notwendig ist:
„Welthandel mit Nahrungsmitteln ist Wasserumverteilung. Das ist eigentlich ein wirksames Instrument, wenn Nahrungsmittel aus Regionen exportiert werden, die ‚wasserreich‘ sind. Das ist leider im Moment weniger der Fall. Wasserreiche Länder importieren durch Bewässerung erzeugte Lebensmittel aus Ländern, in denen jetzt schon Wasserknappheit existiert – zum Beispiel aus Nordafrika und Südeuropa.“