Stickstoffverschmutzung : unsere Ernährung und ihre ökologischen Folgen

Die Versorgung mit Nahrungsmitteln ist eines der grundlegendsten Bedürfnisse der Menschheit. Der landwirtschaftliche Sektor, der diese Nahrungsmittel herstellt, ist gleichzeitig die Hauptschnittstelle zwischen Mensch und Natur. Die kontinuierliche Ausdehnung und Intensivierung der Landwirtschaft hat einige grundlegende Prozesse des Erdsystems verändert - so auch den globalen Stickstoffkreislauf, der sich weit von seinem Zustand in der restlichen Ära des Holozäns entfernt hat. Die Störung des Stickstoffkreislaufs führt zu einigen unerwünschten Rückwirkungen auf die Menschheit. So schmälert Stickstoffverschmutzung den Nutzen einer Vielzahl von Ökosystemdienstleistungen und beeinträchtigt die menschliche Gesundheit. Das übergreifende Thema der Dissertation ist die Auswirkung der zukünftigen Nahrungsmittelnachfrage auf den global Stickstoffkreislauf und auf Stickstoffverschmutzung. Die Forschungsfragen sind im Einzelnen: (1) Was sind plausible Szenarien für die globale Nahrungsmittelnachfrage im 21ten Jahrhundert? (2) In welchem Zustand befindet sich der landwirtschaftliche Stickstoffkreislauf aktuell? (3) Wie wird sich der Stickstoffkreislauf in der Zukunft entwickeln? (4) Welcher zusätzliche Druck könnte von der Bioenergie auf den Stickstoffkreislauf ausgehen? (5) Wie würde sich die Implementierung von Stickstoffmitigationsmaßnahmen in der Nahrungsmittelnachfrage und in der landwirtschaftlichen Produktion auf den Stickstoffkreislauf und auf Stickstoffverschmutzung auswirken? Zur Beantwortung dieser Fragen wird in dieser Dissertation zuerst eine neue, einfache und transparente Methode entwickelt um Langzeitszenarien für die globale Nahrungsmittelnachfrage zu erstellen. Diese Szenarien werden anschließend vom "Modell für Landwirtschaft und seine Auswirkungen auf die Umwelt" (MAgPIE) genutzt. Dieses Modell ist ein Hybrid zwischen einem sozioökonomischen und einem biophysikalischen Landnutzungsmodell, welches wiederum verwendet werden kann um Szenarien für die zukünftige Entwicklung der Landwirtschaft zu erstellen. Das bereits existierende Modell wurde um ein Stickstoffmassenbilanzmodell erweitert, welches die wichtigsten Stickstoffflüsse im Ackerland, in der Tierhaltung, in der Nahrungsmittelverarbeitung und in Haushalten simuliert. Schlussendlich wird dieses erweiterte Modell genutzt um Langzeitszenarien des landwirtschaftlichen Stickstoffkreislaufs und der Umweltverschmutzung durch reaktiven Stickstoff zu erstellen, sowie um den Effekt von Mitigationsmaßnahmen zu analysieren. Die Szenarien zeigen dass bei unveränderten Rahmenbedingungen und ohne Mitigationsmaßnahmen die wachsende Nahrungsmittelnachfrage die meisten Stickstoffflüsse im landwirtschaftlichen Sektor bis 2050 stark ansteigen lässt, wodurch die globale Stickstoffverschmutzung nie dagewesene Höhen erreicht. Ein Ausbau der Bioenergieproduktion würde zusätzlichen Druck auf den Stickstoffkreislauf ausüben. Die Reduktion von Nahrungsmittelabfällen, die Senkung der Nachfrage nach tierischen Produkten, und starke Effizienzverbesserungen im Ackerbau sowie der Tierhaltung könnten jedoch in Kombination die Stickstoffverschmutzung wieder unter das aktuelle Niveau senken. Selbst in diesem Fall ambitionierter Mitigationsmaßnahmen verbleibt der Stickstoffkreislauf jedoch noch immer weit von seinem natürlichen Zustand im Zeitalter des Holozäns entfernt, so dass das Wohlergehen der Menschen auch weiterhin durch die mit Stickstoff zusammenhängende Umweltverschmutzung beeinträchtigt wird.The provision of sufficient food for a growing world population is one of the most basic needs of humanity. The agricultural sector, which has the function to provide this food, is at the same time the main interface between anthropogenic and natural systems. The continuous expansion and intensification of agriculture has driven the nitrogen cycle, a central Earth-system process, out of the state it was residing in during the geological Holocene epoch. This disturbance leads to a number of undesirable feedbacks on human society, lowering the benefits of a multitude of ecosystem services and harming human health. The overarching topic of this dissertation is how future food demand changes the global nitrogen cycle and nitrogen pollution. The research questions are: (1) What are plausible scenarios for global food demand in the 21st century? (2) What is the current state of the agricultural nitrogen cycle? (3) How will the nitrogen cycle evolve into the future? (4) Which additional pressure on the nitrogen cycle might evolve from the production of bioenergy? (5) How would the adoption of nitrogen mitigation action in food demand and in agricultural production change the nitrogen cycle and nitrogen pollution? To answer these questions, this dissertation develops a new, simple and transparent method to create long-term scenarios of global food demand. These scenarios are subsequently used by the Model of Agricultural Production and its Impact on the Environment (MAgPIE). The model is a hybrid between a socio-economic and a biophysical land-use model that can be used to derive scenarios of the future development of the agricultural sector. The existing model was extended by a nitrogen mass-balance module, simulating the major nitrogen flows on cropland soils, in livestock production, in food processing and in household consumption. Finally, this extended model is used to create long-term scenarios of the agricultural nitrogen cycle and nitrogen related pollution, and to analyse the effect of nitrogen mitigation measures. Reference scenarios without mitigation action indicate that until 2050, growing demand for food will expand most nitrogen flows in the agricultural sector, with global nitrogen pollution rising to unprecedented levels. An extension of bioenergy production would add additional pressure on the nitrogen cycle. Diverging from business-as-usual projections, this study shows that reduced food waste and livestock consumption, in combination with strong efficiency improvements in agricultural production, could reduce nitrogen pollution below current levels. However, even under such ambitious mitigation actions, the global nitrogen cycle will not return to pre-disturbance Holocene conditions and the remaining nitrogen pollution will continue to be detrimental to human welfare