Germany
January 14, 2015
Landscape ecologists Prof. Dr. Ralf Seppelt, Dr. Ameur M. Manceur and plant ecologist Dr. Stefan Klotz from the UFZ analysed the production and extraction rates of 27 global renewable and non-renewable resources together with economist Dr. Eli Fenichel from Yale University and sustainability scholar Dr. Jianguo Liu from Michigan State University. They examined 20 renewable resources, such as maize, rice, wheat or soya, which represent around 45% of the global calorie intake according to the Food and Agriculture Organisation of the United Nations (FAO of the UN), as well as animal products, such as fish, meat, milk and egg. For 18 of these renewable resources the annual growth rate (for example the increase in meat production or in fish catch) reached its peak -- the peak-rate year -- around 2006 a few years ago.
The term peak in the context of resource use is not new as it was popularized in the discussion about peak oil initiated in the mid-1970s. The peak oil analysis of the mid 1970s alleged that the crude oil extraction rate would significantly decline after a given year. Whether such a decline will happen and what would be the ultimate cause has been hotly debated among scientists. Though oil production has actually continued to expand, other resources have followed such a pattern. UFZ researchers used a dataset of more than 25 resources and made limited assumptions, relying on computer power to extract pattern from the database. "For many resources, but not oil, we indeed observed a peak pattern", states Dr. Seppelt.
Surprisingly, they discovered not only that 20 resources had a peak-year but also that for 16 of the 20 resources with a peak-year, the peak-year lay between 1988 and 2008 -- a very narrow range in the history of humanity! "The key commodities that a person needs for food and must harvest are limited", summarizes Dr. Seppelt, Head of the Landscape Ecology Department at the UFZ. Renewable resources become scarcer. The authors were able to illustrate this using a various examples: The maximum global growth rate in crop yields for soya beans was in 2009, for milk it was 2004, for eggs it was 1993 and for the fish caught it was 1988. Data from other studies confirm these results. For example, the crop yield per area with maize, wheat, soya and rice on more than a quarter of the farming area around the world is stagnating or decreasing according to the US scientists.
Dr. Seppelt gives explanations for why many of the peak-year are synchronized – they occur at about the same time. The global population growth is a major driver. Due to the rising population and change in diet in some regions of the world over the past few decades, such as India and China, the demand for renewable resources increased and thus the pressure to produce as much food as possible. These findings can also be illustrated in other aspects of resource use: the team found the highest rate of increase in the cultivation of arable land to be in the 1950s; the peak for human-made irrigation areas then followed in the 1970s, and the peak for nitrogen fertilisers was subsequently in the 1980s. "This shows that the land available for agriculture was used more intensively for growing food", conclude Dr. Klotz, Head of the Department of Community Ecology. However, they can no longer see major opportunities for the intensification of farming. "Experts see opportunities for further increases in agricultural yield of about one to two percent per year due to better breeding techniques and genetically modified organisms", states Dr. Seppelt. But then it will be tight: "The global community needs to accept that renewable raw materials are also reaching their yield limits worldwide".
Not all resources have passed their peak-year. For example fish obtained from aquaculture (not caught fish from the wild) is an expanding resource. However, "the environmental cost of aquaculture is hotly debated ", mentions Dr. Seppelt.
Conclusions of global relevance can be drawn from the study "We are facing enormous challenges that affect the majority of the resources that we use", states Dr. Seppelt. Indeed, the synchrony of peak-years casts doubts on the notion that as resources become scarcer or less accessible, they can be replaced by other resources ad infinitum. As the foundation of humanity’s current standard of living is eroding, it becomes essential to take action by using fertilizer and water more efficiently for example. "At the individual level, we can start by preferring a vegetarian diet, or eating chicken instead of beef", opines Dr. Seppelt.
Nachwachsende Ressourcen kommen an ihre Grenzen
Nachwachsende Rohstoffe galten bisher immer als unbegrenzt nutzbar. Das allerdings erweist sich als Trugschluss. Wie Forscher des Helmholtz-Zentrums für Umweltforschung (UFZ), der Yale University und der Michigan State University jetzt nachgewiesen haben, sind auch diese nur begrenzt nutzbar. Das schreiben sie in einem Beitrag für das Fachmagazin Ecology & Society, der für das Wissenschaftsmagazin Nature zu den Highlights dieser Woche zählt. So hätten verschiedene Schlüsselressourcen ihren Peak bereits überschritten.
Der Landschaftsökologe Prof. Dr. Ralf Seppelt, der Umweltwissenschaftler und Statistiker Dr. Ameur Manceur und der Pflanzenökologe Dr. Stefan Klotz vom UFZ analysierten gemeinsam mit dem Nachhaltigkeitsforscher Dr. Jiango Liu von der Universität Wisconsin und dem Ökonomen Dr. Eli Fenichel von der Universität Yale die Produktions- und Förderraten von 27 global erneuerbaren und nicht erneuerbaren Ressourcen. Erstmals untersuchten sie dabei 20 erneuerbare Güter wie Mais, Reis, Weizen oder Soja, die laut der Ernährungs- und Landwirtschaftsorganisation der Vereinten Nationen (FAO) rund 45 Prozent der weltweiten Kalorienzufuhr ausmachen, sowie wichtige Tiererzeugnisse wie Fisch, Fleisch, Milch oder Eier. Bei 18 dieser nachwachsenden Ressourcen stellten die Forscher fest, dass die jährlichen Zuwachsraten bei der Produktion zum Beispiel von Fleisch oder Milch beziehungsweise beim Fang von Fisch ihre Spitzenwerte schon vor einigen Jahren hatten. Dieser Zeitpunkt, zu dem die Produktionsraten ihren Höhepunkt erreichten, bevor sie dann wieder zurückgingen, definierten die Forscher als sogenanntes „Peak rate year“ – also das Jahr mit der maximalen Steigerungsrate bei Ernte, Produktion oder Fang.
Gänzlich neu ist der Begriff des Peaks in der Wissenschaft nicht. Bekannt ist der Terminus vor allem aus der Diskussion um Peak Oil. Die Mitte der 1970er Jahre heiß diskutierten Analysen identifizierten einen Rückgang der Förderrate von Rohöl ab einem bestimmten Jahr, waren aber aufgrund der Datenlage und der verwendeten Modelle unter Wissenschaftlern umstritten. Die UFZ-Forscher setzten für die Suche nach dem Peak-Jahr nun aber keine Modelle ein, wie das die Wissenschaftler zuvor im Fall des Peak Oils taten, sondern sie nutzten standardisierte statistische Methoden, um die Zeitreihen zu analysieren. Dabei fanden sie heraus, dass sich viele der Peak-Jahre der nachwachsenden Rohstoffe zeitlich überlappen. Bei 16 von 20 Ressourcen, für die die Forscher einen Peak feststellten, lag dieser zwischen den Jahren 1988 und 2008 – in der Geschichte der Menschheit ein sehr enges Fenster. „Die wichtigsten Güter, die der Mensch für die Ernährung braucht und ernten muss, sind limitiert“, bilanziert Ralf Seppelt, Leiters des UFZ-Departments Landschaftsökologie. Alles werde knapper. Verdeutlichen konnten die Autoren das anhand einiger Beispiele: Bei der Sojabohne liegt weltweit die maximale Zunahmerate der Erntemengen im Jahr 2009, bei Milch im Jahr 2004, bei Eiern im Jahr 1993 und bei der Menge gefangenen Fisches im Jahr 1988. Daten anderer Studien bestätigen diese Ergebnisse. So stagniert oder sinkt US-Forschern zufolge bei Mais, Weizen, Soja und Reis der Erntebetrag pro Fläche auf mehr als einem Viertel der Anbaufelder rund um den Globus.
Warum viele der Maxima synchron in einer ähnlichen Zeitspanne auftreten, dafür hat Seppelt eine Erklärung parat. So sei die weltweite Zunahme der Bevölkerung ein wichtiger Treiber. Weil in einigen Regionen der Erde wie etwa Indien und China die Bevölkerungszahlen in den vergangenen Jahrzehnten stark zunahmen, erhöhten sich die Nachfrage nach nachwachsenden Ressourcen und damit der Druck, möglichst viele Nahrungsmittel zu produzieren. Verdeutlichen lässt sich dieser Befund auch an anderen Maxima, die die Forscher berechneten. Die höchste Zuwachsrate bei der Kultivierung von Ackerflächen machten die Ökologen in den 1950er Jahren aus; Ende der 1970er Jahren folgte dann der Peak für künstlich angelegte Bewässerungsflächen und anschließend in den 1980er Jahren der Peak für Stickstoff-Dünger. „Das zeigt, dass die zur Verfügung stehenden landwirtschaftlichen Flächen für den Anbau von Nahrungsmitteln immer intensiver genutzt wurden“, folgert Stefan Klotz, der das Department Biozönoseforschung leitet. Doch große Steigerungsmöglichkeiten zur Intensivierung des Anbaus sehen die Forscher nicht mehr. „Durch bessere Zuchtmethoden und gentechnisch veränderte Organismen erwarten Experten bei manchen Ressourcen in Zukunft noch eine Ertragssteigerung von ein bis zwei Prozent pro Jahr“, sagt Seppelt. Danach werde es aber eng. „Der Mensch muss akzeptieren, dass auch nachwachsende Rohstoffe global an ihre Ertragsgrenzen kommen und Substitutionsmöglichkeiten schwinden.“ Zwar konnten die UFZ-Forscher zum Beispiel bei den Fischfangmengen aus Aquakulturen keinen Peak feststellen, dennoch lassen sich Fischarten aus Zuchtanlagen nicht durch Arten aus der Fischerei austauschen. „Die Verteilung der Fischarten ist global unterschiedlich, und es gibt kulturelle Verschiedenheiten in der Nutzung von Fisch“, sagt Seppelt.
Aus der Studie lassen sich aus Sicht des UFZ-Forschers wichtige Schlussfolgerungen ziehen. „Wir stehen hier vor gewaltigen Herausforderungen, die eine Mehrheit der von uns genutzten Ressourcen betreffen“, sagt er. Der Mensch müsse in Zukunft effizienter mit Dünger und Wasser umgehen, und er müsse lernen, weniger wegzuschmeißen und sich anders zu ernähren: Statt Rindfleisch beispielsweise mehr Huhn. Der Mensch sollte sich dabei auch von der Hoffnung verabschieden, dass sich knapper werdende Ressourcen durch andere ersetzen lassen.
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