Methanreduktion im Reisanbau

 Lösungen zur Minimierung von Methanemissionen im Reisanbau: Eine umfassende Analyse

1. Einleitung

Der Reisanbau stellt die Ernährungsgrundlage für einen erheblichen Teil der Weltbevölkerung dar. Traditionelle Methoden des Nassreisanbaus, bei denen die Felder kontinuierlich geflutet werden, tragen jedoch erheblich zu den globalen Methanemissionen bei und machen einen beträchtlichen Prozentsatz der anthropogenen Methanfreisetzung aus. Methan ist ein starkes Treibhausgas, dessen Reduktion im Kontext der globalen Bemühungen zur Eindämmung des Klimawandels von entscheidender Bedeutung ist. Initiativen wie das Global Methane Pledge unterstreichen die internationale Verpflichtung zur Reduzierung der Methanemissionen. Dieser Bericht zielt darauf ab, eine umfassende Untersuchung der bestehenden und aufkommenden Lösungen zur Minimierung von Methanemissionen im Reisanbau zu bieten und dabei technische, praktische und politische Aspekte zu berücksichtigen.

2. Hauptursachen für Methanemissionen im Reisanbau

Die Hauptursache für Methanemissionen im Reisanbau liegt in der anaeroben Zersetzung von organischem Material, hauptsächlich Reisstrohresten, in kontinuierlich gefluteten Reisfeldern. Die überfluteten Bedingungen verhindern das Eindringen von Sauerstoff in den Boden, wodurch ein sauerstoffarmes Milieu entsteht, das ideale Bedingungen für methanbildende Archaeen bietet. Diese Mikroorganismen zersetzen organisches Material und produzieren dabei Methan. Die Intensität der Methanproduktion wird von verschiedenen Faktoren beeinflusst, darunter die Bewässerungspraktiken (kontinuierliche Überflutung versus intermittierende Bewässerung), die Art und Textur des Bodens sowie die Anwendung von organischen und mineralischen Düngemitteln. Im Gegensatz dazu produziert der Anbau von Upland-Reis, der nicht geflutet wird, keine signifikanten Mengen an Methan. Obwohl Upland-Reis eine Möglichkeit zur Vermeidung von Methanemissionen darstellt, macht er nur einen geringen Teil der globalen Reisproduktion aus. Daher ist es entscheidend, Strategien zur Reduzierung von Methanemissionen aus dem dominierenden Nassreisanbau zu entwickeln.

3. Aktuelle Forschungsergebnisse und Studien zu Technologien und Methoden zur Reduzierung von Methanemissionen

Die aktuelle Forschung konzentriert sich intensiv auf die Entwicklung und Verfeinerung verschiedener Technologien und Methoden zur Reduzierung von Methanemissionen aus Reisfeldern. Ein bedeutender Durchbruch wurde durch die Züchtung einer neuen, nicht-genetisch veränderten Reissorte erzielt, die die Methanemissionen um bis zu 70 % reduziert und gleichzeitig hohe Erträge liefert. Der Mechanismus dieser Reduktion beruht auf einer veränderten Freisetzung von organischen Verbindungen durch die Wurzeln der Reispflanze. Im Vergleich zu herkömmlichen Sorten setzt diese neue Sorte weniger Fumarat und mehr Ethanol frei. Fumarat fördert die Methanproduktion, während Ethanol sie hemmt. Diese Erkenntnisse eröffnen Wege zur Entwicklung weiterer emissionsarmer Reissorten.

Neben der Züchtung neuer Sorten untersuchen Forscher auch die Anwendung von Ethanol oder Oxantel direkt auf den Boden, um Methan produzierende Mikroorganismen zu hemmen. Obwohl diese chemischen Behandlungen kurzfristig wirksam sein könnten, sind weitere Untersuchungen erforderlich, um ihre langfristigen Auswirkungen auf die Bodengesundheit und nützliche Mikroorganismen zu bewerten.

Das System der Reisintensivierung (SRI) ist ein weiterer Forschungsbereich, der vielversprechend ist, sowohl die Methanemissionen zu reduzieren als auch die Ernährungssicherheit zu verbessern. SRI ist ein ganzheitlicher Ansatz, der veränderte Bewässerungspraktiken, die Optimierung des Pflanzenabstands und andere agronomische Techniken umfasst. Studien deuten darauf hin, dass SRI die Methanemissionen reduzieren und gleichzeitig die Reiserträge steigern kann.

Eine interessante Studie deutet sogar darauf hin, dass Reispflanzen selbst potenziell die gesamten Methanemissionen in Reisfeldern verringern können. Dieses unerwartete Ergebnis deutet auf eine komplexere Interaktion zwischen Reispflanzen und der Methanproduktion hin, die weiterer Forschung bedarf.

4. Anbautechniken und deren Einfluss auf die Methanproduktion

Verschiedene Anbautechniken haben einen erheblichen Einfluss auf die Methanproduktion in Reisfeldern. Eine der am besten untersuchten und vielversprechendsten Techniken ist die Wechselbewässerung (Alternate Wetting and Drying - AWD).

4.1 Wechselbewässerung (AWD)

AWD beinhaltet das periodische Trockenlegen der Reisfelder anstelle einer kontinuierlichen Überflutung. Durch das Zulassen von Sauerstoff in den Boden während der Trockenphasen wird die Aktivität von Methan produzierenden Bakterien gehemmt. Studien haben gezeigt, dass AWD die Methanemissionen um 30 % bis 70 % reduzieren kann , wobei einige Studien sogar Reduktionen von 84 % bis 99 % berichten. Ein weiterer wesentlicher Vorteil von AWD ist die Reduzierung des Wasserverbrauchs um 10 % bis 30 % , was in Regionen mit Wasserknappheit besonders wichtig ist. Interessanterweise führt AWD unter bestimmten Bedingungen nicht zu Ertragsverlusten und kann die Erträge sogar steigern. Die praktische Umsetzung von AWD erfordert die Überwachung des Wasserstands im Boden, beispielsweise mithilfe von perforierten Rohren , und die Schulung der Landwirte in dieser Technik.

4.2 System der Reisintensivierung (SRI)

Das System der Reisintensivierung (SRI) ist ein umfassenderer Ansatz, der AWD als eine seiner Komponenten beinhaltet. SRI umfasst auch die Optimierung des Pflanzenabstands, das Verpflanzen junger Sämlinge und die Förderung eines gesunden Bodens. Studien haben gezeigt, dass SRI die Methanemissionen um 22 % bis 64 % senken kann. Ein wesentlicher Vorteil von SRI ist sein Potenzial für erhebliche Ertragssteigerungen (20-50 % oder mehr) und die damit verbundene Verbesserung der Ernährungssicherheit. Neben der Reduzierung von Methanemissionen bietet SRI weitere Vorteile wie einen geringeren Wasserverbrauch, eine verbesserte Bodengesundheit (einschließlich Kohlenstoffsequestrierung) und potenziell geringere Stickoxidemissionen bei reduziertem Düngemitteleinsatz. Im Vergleich zu AWD allein deuten einige Studien darauf hin, dass SRI möglicherweise etwas bessere Emissionsreduktionen pro Hektar und signifikante Vorteile beim Ertrag bietet.

4.3 Andere Anbautechniken

Neben AWD und SRI werden auch andere Anbautechniken zur Reduzierung von Methanemissionen untersucht. Dazu gehören die Furchenbewässerung, die Direktsaat unter trockenen Bedingungen und der Trockenreisanbau. Diese Techniken zielen darauf ab, die Dauer der Überflutung zu minimieren oder ganz zu vermeiden, um die anaeroben Bedingungen zu unterbrechen, die zur Methanproduktion führen.

5. Einsatz von Bodenverbesserungsmitteln oder organischen Zusätzen zur Reduzierung von Methanemissionen

Der Einsatz von Bodenverbesserungsmitteln und organischen Zusätzen ist ein weiterer vielversprechender Ansatz zur Reduzierung von Methanemissionen im Reisanbau. Verschiedene Materialien wie Biokohle, Silikatdünger, Biosolids, Kohlenasche, Phosphorgips und organische Dünger werden untersucht. Diese Zusätze können die Methanemissionen auf verschiedene Weise beeinflussen : Sie können die Bodenchemie und das Redoxpotenzial (Eh) verändern , die Aktivität von Methan konsumierenden Bakterien (Methanotroph) fördern , die Zersetzung organischer Stoffe beeinflussen oder die Aktivität von Methan produzierenden Mikroorganismen durch spezifische Verbindungen hemmen (z. B. Sulfat in Ammoniumsulfatdünger).

Beispielsweise hat die Anwendung von Biosolids in Kombination mit reduziertem chemischem Dünger in Studien überlegene Leistungen in Bezug auf den Ertrag bei moderaten Methanemissionen gezeigt. Die Silikatdüngung hat ebenfalls zu einer Verringerung des Methanflusses und einer Steigerung des Reisertrags geführt. Biokohle hat das Potenzial, Methanemissionen zu reduzieren, obwohl die Wirkung von den spezifischen Bedingungen abhängen kann. Viele Bodenverbesserungsmittel bieten auch zusätzliche Vorteile wie verbesserte Bodenfruchtbarkeit, Kohlenstoffsequestrierung und reduzierte Stickoxidemissionen.

6. Entwicklung und Einsatz von Reissorten mit geringeren Methanemissionen

Die Entwicklung von Reissorten, die von Natur aus weniger Methan emittieren, stellt eine vielversprechende langfristige Lösung dar. Jüngste Fortschritte in der Züchtung haben sowohl gentechnisch veränderte (z. B. SUSIBA2) als auch nicht-gentechnisch veränderte Sorten hervorgebracht, die geringere Methanemissionen aufweisen. Der zugrunde liegende Mechanismus beinhaltet eine reduzierte Verlagerung von Photosynthaten (organischem Kohlenstoff) in die Wurzeln, wodurch das Substrat für Methan produzierende Mikroorganismen begrenzt wird. Darüber hinaus spielen spezifische Verbindungen, die von den Wurzeln freigesetzt werden, wie Fumarat (fördert Methan) und Ethanol (hemmt Methan), eine entscheidende Rolle.

Ein bedeutender Durchbruch ist die Entwicklung einer neuen, nicht-gentechnisch veränderten Reissorte durch traditionelle Kreuzung, die die Methanemissionen um 70 % reduziert und gleichzeitig den globalen Durchschnittsertrag nahezu verdoppelt. Diese Sorte produziert weniger Fumarat und mehr Ethanol in ihren Wurzelexsudaten, was zu einer geringeren Methanproduktion führt. Bei der Entwicklung solcher Sorten müssen jedoch auch der Ertrag und die Anpassungsfähigkeit an verschiedene Umgebungen, einschließlich der Temperaturempfindlichkeit, berücksichtigt werden. Die gentechnisch veränderte Sorte SUSIBA2 ist ein weiteres Beispiel für Reis mit geringen Methanemissionen , wobei die Akzeptanz gentechnisch veränderter Organismen in verschiedenen Regionen unterschiedlich sein kann.

7. Beispiele für Regionen oder Länder, in denen bereits erfolgreich Methoden zur Methanreduzierung im Reisanbau eingesetzt werden

Mehrere Regionen und Länder haben bereits erfolgreich Methoden zur Reduzierung von Methanemissionen im Reisanbau implementiert. China fördert beispielsweise wassersparende Bewässerungstechniken, SRI, trockenheitsresistenten Reis und "intelligente" Landwirtschaftssysteme. In Pilotversuchen wurden Ertragssteigerungen bei gleichzeitiger Reduzierung der Methanemissionen beobachtet. Die Weltbank unterstützt ein Programm zur Methanreduzierung und Wassereinsparung in Hunan. In Bangladesch wird die Wechselbewässerung (AWD) durch Initiativen des International Rice Research Institute (IRRI) und anderer Organisationen gefördert, was zu erheblichen Wassereinsparungen und Methanemissionsreduktionen geführt hat. Die Akzeptanz durch die Landwirte wird durch Sensibilisierungskampagnen und finanzielle Anreize unterstützt. Ghana verfolgt ein Projekt zur kohlenstoffarmen Reisproduktion, das sich auf die AWD-Technologie konzentriert und darauf abzielt, einen erheblichen Teil der Reisproduktion des Landes abzudecken. Vietnam, ein bedeutender Reisexporteur, passt seine intensiven Anbaumethoden an, um Emissionsreduktionsziele zu erreichen, wobei der Schwerpunkt auf verbesserter Bewässerung, verfeinerter Bodenbearbeitung, fortschrittlichen Reissorten und Schulungsprogrammen für Landwirte liegt. In Indien werden SRI-Versuche durchgeführt, und die gemeinsame Kultivierung von Reis und Fisch wird untersucht, um Methan zu reduzieren und das Einkommen zu steigern. Die Happy Seeder-Maschine wird zur Bewirtschaftung von Reisstroh und zur Emissionsreduzierung eingesetzt. Pakistan und Thailand führen Projekte durch, die vom Climate and Clean Air Coalition finanziert werden, um die Nachhaltigkeit des Reissektors durch Minderungsmaßnahmen wie AWD und reduzierte Düngemittelanwendung zu verbessern. Japan konzentriert sich auf die Anpassung von Reisanbaumethoden wie die mittlere Saisonentwässerung und die Verlängerung der mittelfristigen Trockenperiode, um die Aktivität von Methan bildenden Mikroorganismen zu unterdrücken. In den Vereinigten Staaten werden Bewässerungspraktiken wie AWD und Furchenbewässerung implementiert, unterstützt durch Kohlenstoffgutschriften.

Diese Beispiele zeigen, dass verschiedene Techniken in unterschiedlichen Regionen erfolgreich eingesetzt werden, was oft zu erheblichen Reduzierungen der Methanemissionen, Wassereinsparungen und in einigen Fällen zu Ertragssteigerungen führt. Faktoren, die zu diesem Erfolg beitragen, sind politische Unterstützung, die Einbindung der Landwirte durch Schulungen und Anreize sowie die Rolle von Forschungseinrichtungen und internationalen Kooperationen.

8. Wirtschaftlichkeit und Praktikabilität der Lösungsansätze für Landwirte

Die Wirtschaftlichkeit und Praktikabilität der verschiedenen Methanreduktionsansätze sind entscheidende Faktoren für die Akzeptanz durch die Landwirte.

Wechselbewässerung (AWD) wird im Allgemeinen als kostengünstige und einfache Methode angesehen, die oft zu reduzierten Bewässerungskosten führt (in Bangladesch wurde eine Reduzierung der Bewässerungskosten um 12-15 % berichtet) aufgrund des geringeren Wasserverbrauchs und der reduzierten Pumpkosten. Eine Studie in Bangladesch zeigte sogar eine Vervierfachung des Nettoeinkommens und eine höhere Wasserproduktivität. Die anfängliche Investition in Überwachungswerkzeuge (z. B. perforierte Rohre) und die Schulung der Landwirte können jedoch erforderlich sein.

Das System der Reisintensivierung (SRI) kann zu höheren Erträgen (20-50 % oder mehr) und reduzierten Saatgutkosten führen, was das Einkommen der Landwirte steigert. In einigen Fällen kann es jedoch einen höheren Arbeitsaufwand für das Verpflanzen und die Unkrautbekämpfung erfordern.

Emissionsarme Reissorten, insbesondere die neue nicht-gentechnisch veränderte Sorte, zeigen das Potenzial für nahezu doppelte globale Durchschnittserträge, was die Rentabilität erheblich verbessern würde. Die Kosten und die Verfügbarkeit dieser Sorten für die Landwirte werden entscheidende Faktoren für die Akzeptanz sein.

Die Wirtschaftlichkeit von Bodenverbesserungsmitteln hängt von den Kosten und der Verfügbarkeit der Mittel sowie deren Auswirkungen auf den Ertrag ab. Einige Mittel, wie Biokohle, können aus landwirtschaftlichen Abfällen hergestellt werden und bieten möglicherweise eine kostengünstige Lösung.

Kohlenstoffgutschriften und andere finanzielle Anreize spielen eine wichtige Rolle bei der Attraktivitätssteigerung emissionsarmer Praktiken für Landwirte. Es gibt Beispiele für Landwirte, die Zahlungen für Kohlenstoffgutschriften erhalten, die durch die Einführung von Praktiken zur Reduzierung der Methanemissionen generiert wurden.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die wirtschaftliche Machbarkeit und Praktikabilität von Methanreduktionslösungen variieren. AWD ist im Allgemeinen kostengünstig und einfach, während SRI ein hohes Ertragspotenzial bietet, aber möglicherweise arbeitsintensiver ist. Emissionsarme Reissorten sind vielversprechend, und Kohlenstoffgutschriften können entscheidende finanzielle Anreize für die Landwirte bieten, diese und andere nachhaltige Praktiken einzuführen.

9. Staatliche oder internationale Initiativen und Förderprogramme zur Reduzierung von Methanemissionen im Reisanbau

Es gibt eine Vielzahl staatlicher und internationaler Initiativen und Förderprogramme, die darauf abzielen, Methanemissionen aus dem Reisanbau zu reduzieren. Das Global Methane Pledge ist eine Verpflichtung von über 150 Ländern, die globalen Methanemissionen bis 2030 um mindestens 30 % gegenüber dem Niveau von 2020 zu senken, einschließlich der Emissionen aus der Landwirtschaft. Der EU Green Deal zielt darauf ab, bis 2050 Klimaneutralität zu erreichen, mit Zwischenzielen zur Reduzierung des Einsatzes von Pestiziden und Düngemitteln, was sich auf die Reisanbaumethoden auswirkt. Der US Methane Emissions Reduction Action Plan beinhaltet Strategien zur Bekämpfung von Emissionen aus dem Reisanbau und umfasst Förderprogramme wie das Methane Emissions Reduction Program. Viele Länder, wie Thailand und Pakistan, haben in ihren an die UNFCCC übermittelten nationalen Klimabeiträgen (NDCs) Ziele für die kohlenstoffarme Reisproduktion festgelegt. Auch in Vietnam und China gibt es politische Maßnahmen zur Förderung nachhaltiger Reisanbaumethoden und zur Reduzierung von Methanemissionen.

Internationale Organisationen spielen ebenfalls eine wichtige Rolle. Die Weltbank bietet finanzielle Unterstützung und technische Hilfe für Programme zur Reduzierung von Methanemissionen und zur Förderung klimaresilienten Reisanbaus, wie beispielsweise in Hunan, China. Der IFAD (Internationaler Fonds für landwirtschaftliche Entwicklung) unterstützt Projekte, die sich auf die Reduzierung von Methan in der Landwirtschaft und in Nahrungsmittelsystemen konzentrieren, insbesondere unter Einbeziehung von Kleinbauern. Das Climate and Clean Air Coalition (CCAC) finanziert Projekte in Ländern wie Thailand und Pakistan zur Reduzierung von Methanemissionen aus dem Reisanbau und unterstützt die Entwicklung von Mess-, Berichts- und Verifizierungssystemen (MRV). Die Sustainable Rice Platform (SRP) fördert nachhaltige Reisanbaumethoden, einschließlich solcher, die Methanemissionen reduzieren.

Es gibt auch verschiedene Finanzierungsmöglichkeiten und Unterstützungsprogramme für Landwirte und Forscher, darunter Initiativen des Global Methane Hub , das EU-Programm Horizon 2020 und verschiedene nationale Programme.

10. Schlussfolgerung

Die Reisproduktion ist zwar eine wesentliche Quelle für Methanemissionen, es existieren jedoch zahlreiche Lösungen, um diese Emissionen zu minimieren. Dazu gehören verbesserte Wassermanagementtechniken wie AWD und SRI, der Einsatz von Bodenverbesserungsmitteln und die Entwicklung emissionsarmer Reissorten. Erfolgreiche Implementierungen wurden in verschiedenen Regionen gezeigt, oft unterstützt durch staatliche und internationale Initiativen.

Die Herausforderungen bei der globalen Skalierung dieser Lösungen umfassen die Notwendigkeit der Aus- und Weiterbildung von Landwirten, den Zugang zu Technologie und Ressourcen sowie die Überwindung etablierter traditioneller Praktiken. Die Chancen liegen in dem wachsenden globalen Bewusstsein für den Klimawandel, der Entwicklung kostengünstiger und praktischer Lösungen sowie der zunehmenden Verfügbarkeit finanzieller Anreize und politischer Unterstützung.

Für die zukünftige Forschung werden weitere Untersuchungen der langfristigen Auswirkungen von Bodenverbesserungsmitteln, die Optimierung emissionsarmer Reissorten für verschiedene Umgebungen und die Entwicklung genauerer und zugänglicherer Methanmesstechnologien empfohlen.

Für die Politikentwicklung werden eine stärkere politische Unterstützung für die Einführung emissionsarmer Reisanbaumethoden, die Förderung von Kohlenstoffmärkten und anderen finanziellen Anreizen für Landwirte sowie Investitionen in Forschung und Entwicklung empfohlen.

Für die Einbindung der Landwirte ist es wichtig, zugängliche Informationen und Schulungen zu Methanreduktionstechniken anzubieten, finanzielle und technische Unterstützung für die Implementierung bereitzustellen und die Landwirte in die Entwicklung und Erprobung neuer Lösungen einzubeziehen.

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