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Bild: Eric Prouzet/Unsplash

06.05.2021

Klimawandel auf unseren Tellern

Wird der Temperaturanstieg nicht aufgehalten, macht sich der Klimawandel bald auf unseren Tellern bemerkbar. Ein Drittel der Kartoffelernte droht bis zum Ende des Jahrhunderts auszufallen – das ist ein Ergebnis der Forschung von Sabine Egerer vom Helmholtz Zentrum Hereon. Sie versucht Fragen zur Zukunft der Landwirtschaft mit Data Science-Methoden zu beantworten – und konnte dabei von der Unterstützung des HIDA Trainee Netzwerks profitieren.

Die Kartoffel ist von deutschen Tellern nicht wegzudenken: Zwar nimmt in Deutschland der Konsum der südamerikanischen Knolle ab, dennoch werden laut Bundesanstalt für Landwirtschaft und Ernährung (BLE) hierzulande pro Kopf immerhin 55 Kilo jährlich verspeist. Der Bedarf an Anbaufläche ist damit weiterhin groß. Dass die Kartoffel nicht nur landwirtschaftlich von Bedeutung, sondern auch noch ein wahrhaftiges Crossover-Forschungsobjekt ist, beweist die Klimawissenschaftlerin Sabine Egerer. Am Hamburger Climate Service Center (GERICS) des Helmholtz-Zentrums Hereon ist sie seit 2018 im Forschungsprojekt IMLAND tätig und verbindet dort in ihrer Forschung zur Kartoffel Fragen des Klimawandels und der Zukunft der Landwirtschaft mit Data Science-Methoden – alles im Interesse der typischsten Feldfrucht Deutschlands.

Sabine Egerer vom Helmholtz-Zentrum Hereon nimmt die Kartoffelernte wissenschaftlich unter die Lupe. Sie weist nach: Wird der Klimawandel nicht aufgehalten, drohen der beliebten Feldfrucht massive Ernteausfälle. Bild: Privat

Data-Science-Netzwerk für den wissenschaftlichen Nachwuchs

Egerer geht der Frage nach, wie sich der Klimawandel auf die Kartoffelerträge in Deutschland auswirken wird und inwieweit mögliche Ertragsverluste durch Bewässerung kompensiert werden können. Um zu berechnen, ob und wie sich der Klimawandel künftig auf unseren Tellern bemerkbar macht, sind umfangreiche Modellrechnungen notwendig, in die viele Variable einfließen müssen. Da in der Hamburger Forschungsgruppe jedoch Expertise mit statistischer Erntemodellierung fehlte, kam Egerer auf die Idee, sich von anderer Seite Hilfe zu holen: Auf das Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung (UFZ) wurde sie über eine Arbeit des Wissenschaftlers Michael Peichl aufmerksam, der den Einfluss der Bodenfeuchte auf Ernteerträge modelliert – auch für Egerers Kartoffelproblematik ein interessanter Aspekt. Ein Hamburger Kollege wiederum wies sie auf die Möglichkeit hin, sich mit Kollegen an anderen Helmholtz-Zentren über einen Gastaufenthalt fachlich zu vernetzen und neue Anregungen aus den Datenwissenschaften zu bekommen, organisatorisch und finanziell unterstützt durch das neu aufgelegte HIDA Trainee-Netzwerk.

Dieses Netzwerk, das erstmals 2020 an den Start ging, richtet sich an Promovierende und Postdocs in der Helmholtz-Gemeinschaft, die ihre Data-Science-Expertise interdisziplinär ausbauen wollen, und bietet vollfinanzierte Forschungsstipendien für Kurzzeit-Aufenthalte an anderen Helmholtz-Zentren. Das Ziel eines solchen Austauschs: vom Data-Science-Knowhow der anderen profitieren, Netzwerke knüpfen und neue Ansätze und Arbeitsweisen kennenlernen. Auch die entsendenden Zentren und die Gastgeber können über die Zusammenarbeit ihr Netzwerk innerhalb der Helmholtz-Gemeinschaft ausbauen und stärken. Trotz der schwierigen Corona-Situation, die einen persönlichen Austausch mit den Forschenden einschränkte, war Egerer hoch motiviert für einen Aufenthalt in Leipzig: „Ich wollte unbedingt neue Methoden im Bereich des maschinellen Lernens kennenlernen und die Bodenfeuchte in mein Modell integrieren. Die Gruppe der Computational Hydrosystems am UFZ sind Experten in der hydrologischen Modellierung und es gibt dort eine Menge Erfahrung in Bezug auf Datenverarbeitung und maschinelle Lernalgorithmen.“

Trockenheit bedroht die Kartoffelernte

In Nordostniedersachsen, unweit des GERICS-Standortes, ist die von Egerer untersuchte Problematik zum Greifen nah: Hier befinden sich die größten Anbauflächen für Kartoffeln in Deutschland. Fällt eine Saison besonders trocken aus, kann die Erdäpfel-Ernte empfindliche Einbußen erleiden. Das passiert bislang zwar nur punktuell, aber es ist abzusehen, dass die Klimaveränderung den deutschen Kartoffelanbau künftig stark beeinträchtigen wird. Das hat direkte wirtschaftliche Auswirkungen auf die Verbraucher, denn die Preise steigen bei geringerem Angebot – und auch eine intensivierte Bewässerung der Felder verursacht Kosten und dezimiert außerdem die Grundwasservorräte. Da Kartoffeln aufgrund ihres nur flachen Wurzelwerks grundsätzlich künstlich beregnet werden müssen, stellt die Bewässerung einen wesentlichen Faktor für künftige Erträge dar. Doch wie drastisch wirkt sich der Klimawandel auf die Ernte aus und wie ließe sich die Beregnung anpassen?

Kartoffelpflanzen haben nur ein oberflächliches Wurzelwerk, weshalb sie kaum in tiefergelegene, feuchtere Bodenschichten vordringen können. Daher müssen sie oft künstlich bewässert werden. Bild: hexe_babajaga/Pixabay

Ernte-Szenarien modellieren – in Kooperation zwischen Hamburg und Leipzig

Für die Hamburger Klimawissenschaftlerin, die zwischen November 2020 und Januar 2021 als eine der ersten Wissenschaftlerinnen am Trainee-Netzwerk teilnehmen konnte, kam die Unterstützung der Leipziger Kolleginnen und Kollegen der Abteilung für Computational Hydrosystems am UFZ gerade recht. Für ihr Projekt mit dem Titel “Towards a statistical approach for agricultural yield production to evaluate climate change adaptation measures for present and future conditions” konnte sie mit der Hilfe des UFZ ein Modell entwickeln, in dem der Effekt der Bewässerung auf die Ernte bei verschiedenen Emissionsszenarien dargestellt werden kann. Dabei testete sie mögliche Bewässerungsszenarien, um zu erfahren, inwieweit Bewässerung künftige Ertragsverluste kompensieren könnte. Die Kolleginnen und Kollegen hätten sie darüber hinaus mit verschiedenen Prozessen der Datenverarbeitung vertraut gemacht, so Egerer. „Der größte Nutzen meines Austauschs“, ist die Wissenschaftlerin überzeugt, „war sicherlich die Erweiterung meiner Kenntnisse über Algorithmen des maschinellen Lernens“. Dieses neue Wissen konnte Egerer anwenden, um die wichtigsten klimatischen und hydrologischen Variablen auszuwählen, die für Schwankungen im Ernteertrag verantwortlich sind. Darüber hinaus konnte die Wissenschaftlerin am UFZ auf viele Daten zugreifen, etwa auf Klimadaten der Helmholtz Klima-Initiative, auf Wetterdaten des Deutschen Wetterdienstes oder auf Daten des Bodenfeuchte-Index (Soil Moisture Index - SMI), die auf einem Modell beruhen, das von den Leipziger Gastgebern entwickelt wurde. Regelmäßige virtuelle Treffen ermöglichten den Kontakt zum Leipziger Team. Sabine Egerer ist sich sicher: „Der offizielle Rahmen des HIDA-Trainee-Netzwerks hat den Datenzugang und den wissenschaftlichen Austausch erleichtert.“

Die Ernte ihres Aufenthalts am UFZ:  ein erfolgreich eingereichtes Abstract bei der Europäischen Geophysikalischen Union (EGU) und die Präsentation ihrer Ergebnisse auf der Online-Konferenz der EGU. Gemeinsam mit den Teams aus Leipzig und Hamburg ist zusätzlich eine Veröffentlichung geplant. „Die wichtigste Erkenntnis für mich ist, dass ein fruchtbarer Austausch sogar ohne umfangreichen direkten Kontakt möglich ist.“ Ihr Urteil über ihren Aufenthalt in Leipzig ist eindeutig: „Ich würde die Teilnahme am HIDA Trainee Netzwerk auf jeden Fall anderen Wissenschaftlern empfehlen, vor allem, wenn sie externe Expertise in ihre Arbeit einbeziehen, neue Kooperationen finden und neue Ideen gewinnen möchten.“ 

Für stabile Erträge: Mehr Wasser oder weniger Emissionen

Aber wie steht es nun konkret um die deutsche Kartoffel, diesem komplexen Forschungsgegenstand? Egerers Modell zeigt, dass im Business-as-usual-Emissionsszenario, welches den höchsten Temperaturanstieg zur Folge hat, ohne Bewässerung mit hohen Ernteverlusten von über einem Drittel bis zum Ende des 21. Jahrhunderts zu rechnen ist. Mit herkömmlicher Bewässerung reduzieren sich diese Verluste nur auf 23% bzw. auf 17%, falls die Wassermenge verdoppelt wird. Ein hoher Preis. Wie die Ernte tatsächlich aussehen wird und welche Mehrkosten künftig entstehen, wird also sehr davon abhängen, wie stark die CO2-Emissionen eingedämmt werden können. Egerers Modell, zu dem die UFZ-GERICS-Kooperation beigetragen hat, schärft somit den Blick für die Klimazukunft in der Landwirtschaft.

Die Teilnahme am HIDA Trainee Netzwerk war für Sabine Egerer neben der erfolgreichen Forschungszusammenarbeit aber noch in einem anderen Sinne ertragreich: „Mir ist klargeworden, dass ich weiterhin in einem so relevanten Bereich wie der Landwirtschaft mit statistischen Methoden und maschinellen Lernalgorithmen arbeiten möchte. In diesem Sinne hat mir der Austausch geholfen, meine Zukunftspläne in der Wissenschaft zu konkretisieren.“

    

Neugierig geworden? Interessentinnen und Interessenten am HIDA Trainee Netzwerk können sich in der nächsten Runde, die voraussichtlich ab Sommer 2021 stattfinden wird, wieder für eine Teilnahme bewerben. Nähere Infos zur Vorbereitung und zu den genauen Daten der nächsten Ausschreibung finden Sie hier.

   

Autorin: Constanze Fröhlich

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