Munich, Germany
September 27, 2024
Wheat is the world’s most important grain. But it has high environmental costs due to the need to fertilize with nitrogen. Researchers at the Technical University of Munich (TUM) and France's National Research Institute for Agriculture, Food and Environment (INRAE) have now determined that new wheat varieties produce better crops with the same quantities of fertilizer.
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New wheat varieties utilize nitrogen more efficiently than those now used. As a result, they can achieve 16 percent higher crop yields under current climatic conditions when fertilized with the same amount of nutrients.
It is not always easy to find the right amount of fertilizer for wheat crops. If too little is applied, it is completely used up, but the harvest falls short of its full potential. And if too much is used, the harvest is good but the growing grain does not consume all of the fertilizer. The surplus nitrogen finds its way into the environment and damages ecosystems and the climate. But wheat is essential for satisfying the growing hunger in the world.
To overcome these challenges, Senthold Asseng, a professor of Digital Agriculture at TUM, Pierre Martre (INRAE) and other researchers have investigated new wheat cultivars still in the experimental stages. Their results have been published in Nature Plants. The team used data from five experimental fields representing global wheat producing regions with particularly high yields. The fields were included into a simulation model with other fields and analyzed under three climate scenarios: the climate conditions of today and global warming of 1 degree Celsius and 4.8 degrees Celsius. The results show the yields that can be expected from the tested varieties when different quantities of nitrogen fertilizer are applied.
Higher yields, but nitrogen remains a problem
The researchers showed that the new wheat cultivars achieve 16 percent higher yields under current climate conditions than those now used if the same quantities of fertilizer are applied. Through improved utilization of the nitrogen, i.e. greater nitrogen efficiency, the ecological footprint is reduced. However, the team also showed that overall nitrogen needs will increase in the course of global warming if the full yield potential of the plants is to be achieved – although the new cultivars will still use nitrogen more efficiently than current varieties.
Consequently, new wheat cultivars are superior to the current ones in important respects and could contribute to food security. But the struggle for responsible nitrogen management will remain an issue, and not only with regard to climate protection and the environment. The researchers point out that nitrogen can be an expensive resource. So, although greater fertilizer use may be best for the harvest, it will not be available to all producers around the world and will impose higher costs on agricultural businesses as well as customers.
Systemic approach to food security
However, the scientists now recommend continued use of the cultivars tested in the model in breeding programs: “With improved selective breeding we can close the food gap for the next 20 to 30 years. But new varieties alone will not be sufficient to reconcile the conflicting goals of global food security, environmental protection and cost-effectiveness,” says Senthold Asseng. “What we need is a systemic approach that takes into account agricultural science methods, environmental aspects, socio-economic factors and policy makers.”
The project received funding from the international Wheat Initiative.
Publications
Martre, P., Dueri, S., Guarin, J. R. et al.: „Global needs for nitrogen fertilizer to improve wheat yield under climate change“. Nat. Plants (2024). DOI: doi.org/10.1038/s41477-024-01739-3
Stickstoffbedarf steigt mit Erderwärmung - Neue Weizensorten können Beitrag zu Ernährungssicherheit leisten
Weizen ist weltweit das wichtigste Getreide – und verursacht hohe Umweltkosten. Grund hierfür ist die erforderliche Düngung mit Stickstoff. Forschende der Technischen Universität München (TUM) und des französischen Institut national de recherche pour l'agriculture, l'alimentation et l'environnement (INRAE) haben nun berechnet, dass neue Weizensorten bei gleichbleibender Düngung bessere Ernten liefern.
Das richtige Maß in der Weizendüngung zu finden ist nicht immer leicht. Düngt man den Weizen mit wenig Stickstoff, braucht er diesen auf, bringt aber nicht die volle Ernteleistung. Düngt man ihn mit viel Stickstoff, ist die Ernte zwar gut, aber das Getreide verbraucht nicht den gesamten Dünger. Der überschüssige Stickstoff gelangt in die Umwelt, belastet Ökosysteme und das Klima. Zugleich ist Weizen unverzichtbar, um den wachsenden Welthunger zu stillen.
Um diese Herausforderungen zu bewältigen, haben Senthold Asseng, Professor für Digital Agriculture an der TUM, Pierre Martre (INRAE) und weitere Forschende neue, noch im Versuchsstadium befindliche Weizensorten untersucht. Ihre Ergebnisse wurden in „Nature Plants“ veröffentlicht. Das Team hat hierfür Daten von fünf Versuchsfeldern genutzt, die repräsentativ für globale Anbauregionen mit besonders hohen Erträgen sind. Diese wurden in ein Simulationsmodell eingespeist und gemäß verschiedenen Klimaszenarien berechnet. Hierfür haben die Forschenden aktuelle klimatische Bedingungen, eine Erderwärmung um ein Grad und um 4,8 Grad gewählt. Die Ergebnisse zeigen, welchen Ernteertrag die getesteten Sorten bei unterschiedlich hohen Mengen zugeführten Stickstoffs leisten können.
Höhere Ernten, aber Stickstoff bleibt ein Problem
Die Forschenden konnten so herausfinden, dass die neuen Weizensorten unter aktuellen klimatischen Bedingungen 16 Prozent mehr Ernteertrag erreichen als bisher eingesetzte Weizensorten, wenn sie in gleicher Menge gedüngt werden. Dass sie den ausgebrachten Stickstoff besser nutzen, also eine verbesserte Stickstoffeffizienz aufweisen, verringert ihren ökologischen Fußabdruck. Zugleich konnte das Team zeigen, dass der Stickstoffbedarf im Zuge der Erderwärmung generell steigen wird, wenn man das Erntepotenzial der Pflanzen voll ausschöpfen möchte – doch auch dann nutzen die neuen Sorten den Stickstoff effizienter als die bisher eingesetzten.
Neue Weizensorten sind den aktuellen also in wichtigen Aspekten überlegen und können ein Baustein zur Ernährungssicherheit sein. Dennoch wird das Ringen um einen verantwortungsvollen Umgang mit Stickstoff ein Thema bleiben, und zwar nicht nur im Sinne des Klima- und Umweltschutzes. Die Forschenden weisen darauf hin, dass Stickstoff eine mitunter kostenintensive Ressource ist. Eine verstärkte Düngung mag somit für die Ernte das Beste sein, ist aber global nicht allen Produzentinnen und Produzenten möglich und schlägt sich auf die Geldbeutel der landwirtschaftlichen Betriebe sowie der Kundinnen und Kunden nieder.
Ernährungssicherheit systemisch denken
Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler empfehlen dennoch, die im Modell getesteten Weizensorten nun in Zuchtprogrammen weiter zu nutzen: „Mit verbesserter Züchtung können wir es schaffen, für die nächsten 20 bis 30 Jahre die Lücke an Nahrungsmitteln zu schließen. Allein mit neuen Sorten wird uns der Spagat aus weltweiter Ernährungssicherheit, Umweltschutz und Wirtschaftlichkeit aber nicht gelingen,“ sagt Senthold Asseng. „Was wir brauchen, ist ein systemischer Ansatz, der neben agrarwissenschaftlichen Methoden wie moderner Züchtung auch Umweltaspekte, sozio-ökonomische Faktoren und die Rolle der Politik betrachtet.“
Publikationen
Martre, P., Dueri, S., Guarin, J. R. et al.: „Global needs for nitrogen fertilizer to improve wheat yield under climate change“. Nat. Plants (2024). DOI: doi.org/10.1038/s41477-024-01739-3
Das Projekt wurde von der internationalen Wheat Initiative gefördert.
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