Der Faktor Mensch

Die Photosynthese ist der wichtigste und älteste biochemische Prozess der Erde. Durch die Herstellung von Kohlenhydraten ermöglicht sie das Wachstum von Pflanzen und bildet die Nahrungs- und Energiegrundlage vieler Lebewesen. Forscher haben nun erstmals das Verhalten des Menschen und die Effizienz und Produktivität der Photosynthese ins Verhältnis gesetzt. Ihr Ergebnis: Dort, wo viele Menschen leben, nimmt auch die Photosyntheserate zu.

Lange Zeit war unklar, in welchem Maße der Prozess der Photosynthese direkt vom Menschen beeinflusst wird. Bisher stand das Klima als größter Einflussfaktor im Fokus. Einem internationalen Forscherteam ist unter Beteiligung von deutschen Wissenschaftlern gelungen, einen Zusammenhang zwischen dem Verhalten des Menschen und dem Prozess der Photosynthese nachzuweisen. Dabei kommen sie zu dem Schluss, dass der menschliche Einfluss größer sei, als bisher angenommen, und in einigen Regionen einen Anteil von rund 20 Prozent an der Photosyntheseaktivität ausmache.

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Je intensiver die Landnutzung und höher die Bevölkerungsdichte in einer Region sei, desto höher die Photosyntheseaktivität, so das Fazit. Der Mensch beeinflusse somit genau genommen die Effizienz und Produktivität der Photosynthese, so die Forscher, die im Rahmen ihrer Studie auch die Produktivität des von Menschen gemachten Systems, die Landwirtschaft, unterstreichen.

Photosynthese sichtbar machen

Um Aussagen über die Photosyntheserate treffen zu können, nutzten die Forscher einen Vegetationsindex, den NDVI („Normalised Difference Vegetation Index“, zu Deutsch „Normalisierter differenzierter Vegetationsindex“). Ein Vegationsindex ist eine Kennzahl, die auf Basis der Lichtreflektion von Pflanzen Auskunft über die Vegetation auf der Erdoberfläche gibt. Das Reflektionsverhalten ist dabei von dem Chlorophyllgehalt der Pflanzen abhängig. Als wichtiger Bestandteil der Photosynthese macht der grüne Pflanzenfarbstoff den Prozess quasi sichtbar und lässt Rückschlüsse über die Photosyntheseaktivität der Pflanze zu. Die Forscher werteten den Anstieg des Vegetationsindexes als Zeichen einer Erhöhung der Photosyntheseaktivität.

Im Fall des NDVI wurde die Reflektion von einem Satelliten der Nationalen Ozean- und Atmosphärenverwaltung der USA (NOAA) gemessen, der mit einem hochauflösenden Radiometer ausgerüstet ist und um die Erde kreist. Mit dem NDVI erhielten die Forscher Zugriff auf die Entwicklung der globalen Vegetation im Zeitraum von 1981 - 2010.

Mehr Menschen, mehr Vegetation

Um einen  Einfluss des Menschen auf die Photosyntheseaktivität nachzuweisen, untersuchten die Forscher den Verlauf des Vegetationsindexes in verschiedenen Regionen der Welt. Sie stellten dabei fest, dass der Index und im übertragenen Sinne die Photosyntheseaktivität in den Regionen, in deren Ökosysteme der Mensch verstärkt eingriff, generell stärker anstieg, als in Wald- und Wildnisregionen.  So stieg im Betrachtungszeitraum der Vegetationsindex in wenig bis dünn besiedelten Agrarregionen vergleichsweise am stärksten (5,9 %), gefolgt von dichter besiedelten, urbanen Regionen und dem Umland (4,3 %) und reinen Ackerflächen (3,7 %). In gänzlich unberührten Wildnisregionen konnten die Forscher dagegen keine nennenswerte Steigerung im Untersuchungszeitraum feststellen. Bei der Bewertung orientierten sie sich an dem weltweit durchschnittlichen Verlauf des Vegetationsindexes.

Landnutzung beeinflusst Photosynthese

„In ländlichen Regionen wird heute häufig eine intensive Form der Landwirtschaft betrieben“, erklärt Koautor Compton J. Tucker den relativ starken Anstieg des Indexes der letzten Jahre. Kennzeichen einer intensiven Landwirtschaft ist, dass Bewässerungsmaßnahmen und Düngemittel eingesetzt werden, um die Erträge zu steigern. Um den direkten Einfluss des Menschen nachzuweisen, zogen die Forscher daher weitere Daten hinzu und beobachteten, dass der Index in Regionen mit einem größeren Anteil an künstlich bewässerten Flächen und einem höheren Stickstoffeintrag im Boden im Vergleich zu anderen Regionen stärker angestiegen ist. Sie schlossen daraus, dass eine intensive Landnutzung und Landwirtschaft mit einer Erhöhung der Photosyntheseaktivität einhergeht, letztere also positiv beeinflusst wird. Stickstoffhaltige Mineraldüngemittel werden in der Intensivlandwirtschaft eingesetzt, um das Pflanzenwachstum zu fördern.

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In Europa ist der Einfluss des Menschen am größten

Die Forscher identifizierten vier Regionen, in denen der NDVI im globalen Vergleich besonders stark gestiegen ist. An der Spitze steht Europa, gefolgt vom Sudan-Sahel Gürtel, der die Sahelzone und den südlich verlaufenden Landstrich in Afrika entlang des Äquators umfasst, Westindien und Nordchina. Die Forscher werteten dies als Beleg für ihre Vermutung nach einer direkten Einflussnahme des Menschen auf die Photosynthese, da in Europa, Westindien und Nordchina die Bevölkerungsdichte zum einen relativ hoch ist und dort zum anderen häufig intensive Landwirtschaft betrieben wird, weshalb sowohl die Zahl der künstlich bewässerten Flächen als auch der Stickstoffeintrag im Boden vergleichsweise hoch ist.

Die Bedeutung der Landwirtschaft für die globale Ernährungssicherung

Bezogen auf die Sudan-Sahel-Zone Afrikas sehen die Wissenschaftler hingegen weiteren Forschungsbedarf. Frühere Studien klammerten den Einfluss des Menschen auf die Vegetation und den Photosyntheseprozess in dieser Region häufig aus und erklärten das Klima zum Haupteinflussfaktor. Zukünftig, so die Forscher, müsse der direkte Einfluss des Menschen stärker in den Blick genommen werden. Mit ihrer Studie liefern sie einen Nachweis für die hohe Produktivität der Landwirtschaft bezüglich der Biomasseproduktion und unterstreichen somit auch die wichtige Bedeutung, die sie im Kontext für die Nahrungsmittelproduktion und die globale Ernährungssicherung spielt.