David Wüpper, Solen LeClech, Nathaniel Mueller, David Zilberman, Robert Finger*

In einer gerade in Nature Food veröffentlichten Studie, haben wir global den Zusammenhang zwischen Erträgen wichtiger Kulturen im Ackerbau und der lokalen Stickstoffverschmutzung  analysiert. Dabei haben wir eine Analyse angewendet, die auf Grenzregionen fokussiert und quantifiziert, wie viel mehr Ertrag die Länder erreichen, die mehr Stickstoffverschmutzung verursachen als ihre Nachbarn (Wuepper et al. 2020a). Stickstoffdünger ist zentral für das Pflanzenwachstum und die Ernährungssicherheit (Ray et al. 2013). Der intensive Einsatz von Düngern führt aber auch zu grossen Problemen für Umwelt und menschliche Gesundheit. Die Reduzierung der globalen Stickstoffverschmutzung ist eine wichtige Politik-Priorität (Steffen et al. 2015, Zhang et al. 2015). Bei diesen Reduktionen können aber trade-offs entstehen, zum Beispiel, wenn weniger Stockstoffeinsatz (und daher Verschmutzung) mit geringeren Erträgen einhergeht.

Abb.1. Durch Stickstoffverschmutzung verursachte Algenblüte im Lake Erie

Source: USGS / NASA Landsat

Um diese trade-offs zu quantifizieren vergleichen wir Erträge und Stickstoffverschmutzung verschiedener Länder. Ein einfacher Vergleich von Durchschnittserträgen (oder hier konkret: Lücken zu potentiell möglichen Erträgen) und Stickstoffverschmutzung wäre jedoch irreführend. Viele andere Faktoren beeinflussen sowohl Erträge als auch Verschmutzung was eine Interpretation des Zusammenhang nicht möglich macht. So hat evtl. Bangladesch grössere Stickstoffverschmutzung und tiefere Erträge als die USA. Trotzdem können wir daraus nicht schlussfolgern das Bangladesch mit weniger Verschmutzung mehr produzieren könnte. Um methodisch sauber, kausal zu identifizieren wie sehr ein Land seine landwirtschaftliche Produktion, seine Stickstoffverschmutzung, und das Verhältnis der beiden zueinander beeinflusst, haben wir die Methode der räumlichen Regressionsdiskontinuität verwendet. Dies haben wir in ähnlicher Weise in Wuepper et al. (2020b) schon auf Erosionsprobleme angewendet. Wir verwenden globale, hoch-aufgelöste und räumlich explizite Daten. Die grundlegende unseres methodischen Ansatzes ist sich auf das Grenzgebiet zwischen Ländern zu beschränken, wo Umwelt und Geografie schon einmal deutlich vergleichbarer sind als anderswo. Wir fokussieren uns auf Grenzen, die nicht ‚natürlich‘ sind, d.h. wo nicht (z.B. aufgrund von Bergen) Erträge und anderes ’springen‘ würde. Wir analysieren, wie sich Ertragslücken (die Differenz aus maximal erreichbarem und effektiv erreichtem Ertrag, ‚yield gaps‘), und Stickstoffverschmutzung im Wasser generell räumlich verändern, und ob es genau an Länder-Grenzen Sprünge gibt, die man nur durch einen Länder-Effekt erklären kann. Darüber hinaus betrachten wir auch explizit Stickstoffüberschüsse auf Agrarland, um einen agrarspezifischen Mechanismus zu identifizieren. Abbildung 2 zeigt drei Beispiele von abrupten Sprüngen auf Agrarland direkt an internationalen Grenzen, die man nur durch einen Ländereffekt erklären kann.

Abb.2. Beispiele für Diskontinuitäten in landwirtschaftlicher Intensität an internationalen Grenzen.

Source: USGS / NASA Landsat

Unsere Ergebnisse zeigen, dass – wie zu erwarten – Länder mit grösseren Erträgen (kleineren Ertragslücken)  auch eine grössere Verschmutzung aufweisen. Aber: die Grenz-Diskontinuitäten in der globalen Stickstoffverschmutzung sind deutlich grösser, als diese in den Ertragslücken. Der Zusammenhang der beiden ist ausserdem heterogen und insgesamt schwach, obwohl es global eine leichte Tendenz gibt, dass die Länder mit niedrigeren Ertragslücken meist mehr Stickstoffverschmutzung produzieren. Insgesamt finden wir das die Länder mit 35% mehr Stickstoffverschmutzung global nur eine 1% kleinere Ertragslücke haben.

Unsere Analyse zeigt klar, dass nationale Regierungen enorm wichtige Akteure sind, um die globale Stickstoffverschmutzung zu mindern, und sie müssen dabei kaum Ertragseinbussen hinnehmen. Das bedeutet nicht, dass dies einfach und günstig ist.

Es gibt viele Gründe für Stickstoffverschmutzung (z.B. Nährstoffüberschüsse aus der Viehhaltung). Das Hauptproblem ist jedoch insgesamt die grosse globale Ungleichheit in der Produktionsintensität. Während in vielen Ländern der Erde (z.B. in Asien und Europa) deutlich zu viel Stickstoff eingesetzt wird, wird in vielen anderen Ländern (z.B. in vielen Afrikanischen Ländern) deutlich zu wenig eingesetzt. Man könnte global also die Effizient der Produktion erheblich steigern, würde man es schaffen, den Stickstoff-Einsatz in der Landwirtschaft global umzuverteilen. Ökonomische Instrument könnten Steuern und Subventionen sein, die die nationalen Preise so beeinflussen, dass in manchen Ländern der Dünger teurer, und in anderen günstiger wird.

Weitere wichtige Hebel sind die Vermeidung von Produktionsverlusten (gerade in ärmeren Ländern verdirbt viel Output bevor er jemals den Markt erreicht) und Lebensmittel-Abfällen (gerade in reicheren Ländern werden viele Lebensmittel weggeworfen), sowie unsere Diäten, weil insbesondere die intensive Tierhaltung deutlich zur globalen Stickstoffverschmutzung beiträgt.

Es gibt also global gesehen keinen wichtigen trade-off zwischen der Reduzierung von Stickstoffverschmutzung und der weiteren Steigerung landwirtschaftlicher Erträge, und viele Länder haben grosses Potential ihren „Stickstoff-Fussabdruck“ zu reduzieren. Hier spielen auch Innovationen eine wichtige Rolle, z.B. in der Präzisionslandwirtschaft, die die Stickstoffeffizienz erhöhen (Finger et al. (2019)).

Artikel: Wuepper, D., Le Clech, S., Zilberman, D. Mueller, N, Finger, R. (2020). Countries influence the trade-off between crop yields and nitrogen pollution. Nature Food 1, 713–719. https://doi.org/10.1038/s43016-020-00185-6

*David Wuepper ist Postdoktorand in der Gruppe für Agrarökonomie und –politik der ETH Zürich, welche von Robert Finger geleitet wird. Nathaniel Mueller ist Professor an der Colorado State University, David Zilberman ist Professor an der UC Berkeley, und Solen LeClech ist Professorin an der Wageningen Universität.

Kontakt: David Wüpper (dwuepper@ethz.ch) & Robert Finger, rofinger@ethz.ch

Referenzen

Finger, R., Swinton, S. M., Benni, N. E. & Walter, A. Precision farming at the nexus of agricultural production and the environment. Ann. Rev. Resour. Econ. 11, 1–23 (2019). https://doi.org/10.1146/annurev-resource-100518-093929

Ray, D. K., Mueller, N. D., West, P. C. & Foley, J. A. Yield trends are insufficient to double global crop production by 2050. PLoS ONE 8 (2013).

Steffen, W. et al. Planetary boundaries: Guiding human development on a changing planet. Science 347 (2015).

Wuepper, D., Borrelli, P. & Finger, R. Countries and the global rate of soil erosion. Nature Sustainability 3 (2020). https://doi.org/10.1038/s41893-019-0438-4

Wuepper, D., Le Clech, S., Zilberman, D. Mueller, N., Finger, R. Countries influence the trade-off between crop yields and nitrogen pollution. Nature Food 1 (2020). https://doi.org/10.1038/s43016-020-00185-6

Zhang, X. et al. Managing nitrogen for sustainable development. Nature 528 (2015).