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Nov 20, 2023

Mathematische Optimierung der frostbeständigen Pflanzenproduktion zur Sicherstellung der Nahrungsmittelversorgung während einer nuklearen Winterkatastrophe

Wissenschaftliche Berichte Band 13,

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 8254 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Ziel dieser Studie war es, die optimale Mischung aus frostbeständigen Nutzpflanzen und Landfläche abzuschätzen, die für die Grundernährung in verschiedenen nuklearen Winterszenarien für Neuseeland (NZ), einen gemäßigten Inselstaat, erforderlich ist. Es verwendete eine lineare Programmierung, um die für den Anbau erforderliche Landfläche zu minimieren und gleichzeitig genügend Nahrungsmittel zu produzieren, um den Energie- und Proteinbedarf der gesamten Bevölkerung zu decken. Die möglichen landwirtschaftlichen Auswirkungen von drei nuklearen Winterszenarien auf Neuseeland wurden der Literatur entnommen. Die optimierten Kombinationen frostbeständiger Nutzpflanzen, die die gesamte Bevölkerung ernähren konnten, waren in absteigender Reihenfolge: Weizen und Karotten; Zuckerrübe; Hafer; Zwiebeln und Karotten; Kohl und Gerste; Raps und Kohl; Leinsamen und Pastinaken; Roggen und Lupinen; Kohlrüben und Ackerbohnen; und Blumenkohl. Aber in Bezug auf die aktuellen Produktionsmengen dieser frostbeständigen Pflanzen in Neuseeland würde es im Szenario „Krieg ohne nuklearen Winter“ ein Defizit von 26 % und im Szenario eines schweren nuklearen Winters (150 Tg Ruß im Jahr) zu einem Defizit von 71 % geben Stratosphäre mit einem Rückgang der Ernteerträge um 61 %). Zusammenfassend lässt sich sagen, dass frostbeständige Nahrungspflanzen bei den derzeitigen Produktionsniveaus nach einem Atomkrieg nicht alle neuseeländischen Bürger ernähren könnten. Die neuseeländische Regierung muss vor dem Krieg eine detaillierte Analyse darüber durchführen, wie diese Defizite am besten behoben werden können. Zum Beispiel durch: erhöhte Vorkriegsproduktion dieser Nutzpflanzen und/oder Skalierbarkeit nach dem Krieg; ausreichend frostempfindliche Pflanzen anbauen (z. B. in Gewächshäusern oder in den wärmsten Teilen des Landes); und/oder Sicherstellung der kontinuierlichen Produktion von Nahrungsmitteln, die von Nutztieren stammen, die mit frostbeständigen Gräsern gefüttert werden.

Das Risiko eines Atomkriegs könnte im Zeitraum 2022–2023 aufgrund von Veränderungen in der globalen geopolitischen Lage gestiegen sein. Hierzu zählen insbesondere der Einmarsch Russlands in die Ukraine im Jahr 2022 und die damit verbundenen Drohungen seiner Führung mit dem Einsatz von Atomwaffen1. Außerdem kam es zu einer Aushöhlung eines wichtigen Atomwaffenvertrags2 und zu einer anhaltenden Ausweitung einiger Atomwaffenarsenale (z. B. des Vereinigten Königreichs [UK]3, Chinas4 und Pakistans5). Hinzu kommt die fortschreitende Modernisierung verschiedener Atomwaffenarsenale (z. B. in den Vereinigten Staaten6, Frankreich7, Russland8, Indien9 und Nordkorea10). Zusammengenommen könnten solche Entwicklungen den wahrgenommenen Nutzen dieser Waffen im Krieg und damit das Risiko eines tatsächlichen Einsatzes im Krieg erhöhen. Infolgedessen könnten frühere Schätzungen für die jährliche Wahrscheinlichkeit eines unbeabsichtigten Atomkriegs, die beispielsweise bei etwa 1 %11 oder im Bereich von 0,3 % bis 3 % für alle Arten von Atomkriegen12 lag, inzwischen durchaus eine Unterschätzung des Risikos eines Atomkriegs sein .

Klimamodellierungsstudien deuten darauf hin, dass ein Atomkrieg, der einen nuklearen Winter auslöste (der das Sonnenlicht blockierte und die Pflanzenproduktion verringerte), möglicherweise katastrophal sein könnte13,14,15,16,17. „Mehr als 5 Milliarden [Menschen] könnten durch einen Krieg zwischen den Vereinigten Staaten und Russland sterben“, heißt es in einer dieser Studien16. In dieser Studie wurden auch anhaltende Auswirkungen auf die Pflanzenproduktion geschätzt, die mindestens 10 Jahre anhielten. Diese schrecklichen Folgen verdeutlichen die dringende Notwendigkeit, die internationalen Spannungen zwischen Staaten abzubauen, Atomwaffen in Konflikten weniger einsetzbar zu machen und überprüfbare, abgestufte Schritte zur nuklearen Abrüstung zu unternehmen. Dennoch können solche Präventionsbemühungen immer noch scheitern, und daher sollten umsichtige Nationen, die wahrscheinlich nicht direkt in einem Atomkrieg angegriffen werden, eine Planung in Betracht ziehen, um ihre Überlebenschancen zu maximieren.

Diese Modellstudien zum nuklearen Winter deuten darauf hin, dass die Inselstaaten der südlichen Hemisphäre relativ weniger schwerwiegende Auswirkungen des nuklearen Winters haben könnten. In ähnlicher Weise könnten auch Inseln der südlichen Hemisphäre von einem „vulkanischen Winter“ weniger betroffen sein, zumindest basierend auf den Auswirkungen eines großen historischen Ausbruchs (z. B. des Mount Tambora)18. Auf einer dieser Inseln, Neuseeland, könnte ein strenger nuklearer Winter die Temperaturen um bis zu 5 °C senken13. Die Modellierung verschiedener nuklearer Winterszenarien für die Pflanzenproduktion deutet auf verringerte Ernteerträge im Bereich von 8 % bis 61 %16 für Neuseeland hin (weitere Einzelheiten finden Sie in Tabelle 1). In einigen Teilen dieses Landes kann es zu einer verzögerten Reife der Ernte kommen (z. B. würde ein Temperaturrückgang um 3 °C die Reife der Weizenernte in der Region Canterbury um etwa 40 Tage verzögern19). Aber in südlicheren Teilen des Landes ist eine vollständige Reifung der Getreidekulturen möglicherweise nicht möglich (z. B. in der Southland-Region mit einem Temperaturrückgang von 3 °C19).

Für Neuseeland haben wir zuvor festgestellt, dass das Land über einen relativ hohen Grad an Nahrungsmittelselbstversorgung verfügt (d. h. allein der Lebensmittelexport könnte das 3,9-fache der derzeitigen Energieaufnahme über die Nahrung für alle seine Bürger bereitstellen20). Diese Arbeit ergab jedoch auch, dass es sich bei den meisten dieser exportierten Lebensmittel (nach Gewicht) um Milchprodukte wie Milchpulver handelt, die wahrscheinlich sehr anfällig für Nachkriegsstörungen sind. Das heißt, diese Lebensmittel erfordern viele importierte Inputs (z. B. Diesel, Düngemittel), den täglichen LKW-/Zugtransport von Milch und eine komplexe Verarbeitung in großen Molkereien. Tatsächlich ist der Großteil der landwirtschaftlichen Produktion in Neuseeland von importierten Betriebsmitteln abhängig (z. B. Saatgut, Diesel, Maschinenteile, Düngemittel und Pestizide). Es ist wahrscheinlich auch anfällig für verschiedene Ebenen des sozioökonomischen Zusammenbruchs der neuseeländischen Gesellschaft nach einem Atomkrieg, den verschiedene Autoren für möglich halten (z. B. 21, 22, 23, 24). Ein solcher Zusammenbruch könnte die Lebensmittelproduktion, den Transport, die Verarbeitung und den Einzelhandel ernsthaft beeinträchtigen, und ein Zusammenbruch des Finanzsystems könnte dazu führen, dass die Bürger keine Lebensmittel mehr kaufen können25.

Ein Ansatz, um die Widerstandsfähigkeit eines Landes gegenüber der Bedrohung durch einen nuklearen Winter zu stärken, besteht darin, sich besonders auf frostresistente Nutzpflanzen zu konzentrieren. Solche Nutzpflanzen würden am ehesten strengere Winter sowie Fröste außerhalb der Saison, die in den Wachstumsmonaten auftreten könnten, überstehen. Letzteres ereignete sich während des „vulkanischen Winters“ nach dem Ausbruch des Mount Tambora im Jahr 1815. Das heißt, dieser Ausbruch verursachte während der Vegetationsperiode in Teilen Europas (z. B. im April und September), den USA (Juni und August) Fröste. und China (Juli)26. Diese Auswirkungen des „vulkanischen Winters“ von Tambora (zusammen mit Änderungen bei Niederschlägen und Stürmen) führten zu einer Verringerung der Ernteerträge und führten in mehreren Regionen der Welt zu Hungersnöten27.

Frostbeständige Getreidearten (z. B. Winterweizen) haben außerdem den Vorteil, dass sie bei möglicherweise ganzjährig reduzierten Sonneneinstrahlungsbedingungen mehr Zeit zum Wachsen haben als im Frühjahr gepflanzte Sorten. Dies liegt daran, dass diese Getreidesorten im Herbst gepflanzt werden und die frühe Frühlingswachstumszeit besser nutzen können als ihre im Frühjahr gepflanzten Gegenstücke. Auch Nutzpflanzen wie Winterweizen tolerieren Frost-Tau-Wechsel im Herbst28, wenn auch je nach Sorte unterschiedlich. Die Kältetoleranz nimmt bei Wintergetreide im Frühjahr ab, obwohl: „Pflanzen, die sich noch in der vegetativen Phase befinden, die Fähigkeit haben, sich nach der Deakklimatisierung wieder [an die Frostbedingungen] zu gewöhnen, während Pflanzen in der Fortpflanzungsphase nur eine begrenzte Fähigkeit zur Reakklimatisierung haben.“ -Akklimatisieren"29. Dennoch erleiden Wintergetreide in der Regel einen gewissen Ertragsverlust durch „Winterschäden“, wobei der jährliche durchschnittliche Verlust für Winterweizen in den USA auf 7 % (und in einigen Fällen bis zu 70 % +) geschätzt wird28. Dennoch sind Pflanzen in der Regel relativ effiziente Nahrungsenergiequellen und in der Regel viel kostengünstiger in der Herstellung als Milchprodukte, Fleisch und Fisch. Sie sind auch weniger auf den Kühltransport und die zusätzliche Verarbeitung in Fabriken angewiesen.

Vor diesem Hintergrund zielte diese Studie darauf ab, die optimalen Kombinationen frostbeständiger Pflanzen zu ermitteln, die erforderlich sind, um nach einem Atomkrieg mit möglichen Auswirkungen des nuklearen Winters genügend Nahrungsenergie und Protein für die gesamte neuseeländische Bevölkerung bereitzustellen.

Die Bandbreite der berücksichtigten nuklearen Winterszenarien ist in Tabelle 1 dargestellt. Die Vielfalt der potenziellen Auswirkungen dieser Szenarien spiegelt die unterschiedliche Anzahl der einsetzbaren Waffen, ihre Ausrichtung und die verbleibende Unsicherheit hinsichtlich des Ausmaßes der Auswirkungen vom Typ „nuklearer Winter“ wider30. Daher schließen wir ein „Kein Winter“-Szenario sowie Szenarien mit unterschiedlichem Rußeintrag in die Stratosphäre nach Atomwaffenexplosionen in Großstädten und Infrastruktur in der nördlichen Hemisphäre ein16. Es wird angenommen, dass dieser Ruß dann die Sonnenstrahlung verringert, die die Oberfläche des Planeten erreicht, was dann zu niedrigeren Oberflächenlufttemperaturen und geringeren Niederschlagsmengen führt, was beides die Nahrungspflanzenproduktion in beiden Hemisphären behindert16. In all diesen Szenarien gingen wir im schlimmsten Fall von einem vollständigen Ende des Handels Neuseelands mit anderen Ländern (einschließlich Australien) sowohl für Exporte als auch für Importe aus. Dieser Ansatz wurde auch in früheren neuseeländischen Untersuchungen verfolgt20,31. Wir haben auch auf den Export gelagerte Lebensmittel ignoriert, die für den inländischen Gebrauch umgeleitet werden könnten, da dies nur vorübergehend wäre und es sich überwiegend um Milchprodukte (z. B. Milchpulver) und gefrorenes Fleisch handelt.

Die Auswahl frostbeständiger Pflanzen für Länder mit gemäßigtem Klima basierte auf der Einstufung in Tabelle 233. Für diese Pflanzen verwendeten wir dann Daten zur Lebensmittelzusammensetzung (Nahrungsenergie und Protein) und Ernteertragsdaten, um die Tabelle der Dateneingaben zu vervollständigen (Tabelle 3). In den meisten Fällen standen neuseeländische Daten zur Verfügung. Wo dies jedoch nicht der Fall war, haben wir die Verwendung relevanter australischer Daten, dann nordamerikanischer Daten und dann europäischer Daten priorisiert.

Die geschätzte Energieaufnahme der gesamten neuseeländischen Bevölkerung über die Nahrung wurde bisher auf 44,4 Milliarden kJ pro Tag geschätzt, was 8686 kJ pro Person und Tag entspricht20. Hier haben wir den gleichen Ansatz zur Berechnung der Proteinaufnahme gemäß Tabelle 4 verwendet.

Unser Ziel war es, die minimale Menge an Ackerland zu ermitteln, um ausreichend frostbeständige Pflanzen zur Ernährung der gesamten neuseeländischen Bevölkerung bereitzustellen. Für die mathematische Optimierung verwendeten wir eine lineare Programmierung mit Excel Solver (unter Verwendung der „Solver LP“-Methode). Die Zielfunktion war die Minimierung der gesamten benötigten Anbaufläche (ha), und die Einschränkungen im Basisfall bestanden darin, ≥ 8686 kJ/Tag Nahrungsenergie pro Person und ≥ 81 g/Tag Nahrungsprotein pro Person zu erreichen. Diese Einschränkungen wurden in verschiedenen Szenarien geändert (siehe unten) und es wurden Vergleiche mit der Gesamtfläche der im Jahr 2019 in Neuseeland genutzten Ackerfläche (132.717 ha im Gartenbau und 487.763 ha im Getreideanbau) angestellt61. Genauer gesagt wurde das Niveau der aktuellen frostbeständigen Pflanzenproduktion im Hinblick auf ihre Kapazität zur Ernährung der Bevölkerung in den verschiedenen Szenarien bewertet.

In Szenario A wurde ein reduzierter Energiebedarf (10 % weniger) und ein geringerer Proteinbedarf (35 %) berücksichtigt. Dabei wurde davon ausgegangen, dass viele Menschen in einer Katastrophensituation wahrscheinlich eine etwas geringere Energiezufuhr tolerieren könnten und die aktuelle Proteinzufuhr im Vergleich relativ hoch ist auf die empfohlenen Werte (siehe Fußnoten zu Tabelle 4).

Szenario B geht davon aus, dass 50 % der Energie- und Proteinzufuhr aus frostbeständigen Lebensmitteln und der Rest aus anderen Nahrungsquellen stammen. Letzteres könnte Folgendes umfassen:

Fortsetzung der Produktion einiger frostempfindlicher Pflanzen (z. B. Kartoffeln), die möglicherweise angebaut werden könnten, wenn es in wärmeren Teilen des Landes und/oder in Gewächshäusern keine Fröste außerhalb der Saison gäbe.

Fortsetzung der Produktion von grasgefütterten Tierprodukten (z. B. Milchprodukte und Fleisch von grasgefütterten Tieren in der Nähe von Städten oder Eisenbahnnetzen). Eine anhaltende grasgefütterte Viehhaltung ist während eines nuklearen Winters durchaus machbar, da alle wichtigen in Neuseeland angebauten Weidegräser frostbeständig sind (z. B. Weidelgras und Klee62 in Tabelle 2).

Fortsetzung der Produktion von frostbeständigem Gemüse und Geflügel aus Hausgärten, städtischen Gemeinschaftsgärten und Māori-Gemeinschaftsgärten63.

Die optimierte Kombination frostbeständiger Kulturpflanzen im Basisfall war eine Kombination aus Weizen (97 % der erforderlichen Anbaufläche) und Karotten für den Rest (Tabelle 5). Es wurde geschätzt, dass diese Kombination in der Lage ist, die gesamte Nahrungsenergie und Proteine ​​für die neuseeländische Bevölkerung auf 116.000 ha Land bereitzustellen, was 19 % der derzeit für alle Kulturen (Getreide und Gartenbau) genutzten Anbaufläche entspricht. Die zweiteffizientesten Nutzpflanzen waren in absteigender Reihenfolge: Zuckerrüben; Hafer; Zwiebeln und Karotten; Kohl und Gerste; Raps und Kohl; Leinsamen und Pastinaken; Roggen und Lupinen; Kohlrüben und Ackerbohnen; und Blumenkohl (Tabelle 5).

Die am wenigsten effiziente Landnutzung zur Erzeugung von Nahrungsenergie war grasgefüttertes Lammfleisch, das pro Hektar 310-mal weniger Nahrungsenergie produzierte als Karotten (Rindfleisch war am zweitineffizientesten). Milch von grasgefütterten Milchkühen war ebenfalls relativ ineffizient, aber hinsichtlich der Nahrungsenergie pro Hektar zwei Kulturpflanzen (Spinat und Salat) überlegen. Die am wenigsten effiziente Proteinquelle war auch Lammfleisch, das 62-mal weniger Protein pro Hektar produzierte als Weizen (Rindfleisch, dann Milch, war am zweitineffizientesten).

Tabelle 6 stellt den Basisfall und zwei Ernährungsszenarien (A, B) den vier Atomkriegsszenarien (NW0, NW1, NW2, NW3) gegenüber. Im Basisszenario für die Ernährung belief sich der Bedarf an Ackerland für den Anbau von Weizen und Karotten auf bis zu 48 % der aktuellen Ackerfläche für das strengste betrachtete nukleare Winterszenario (NW3) (bei einer um 61 % verringerten landwirtschaftlichen Produktivität).

Für Szenario A, mit plausibel akzeptablen geringeren Mengen an Nahrungsenergie und Proteinzufuhr, reichte die für den Anbau von Weizen und Karotten erforderliche Anbaufläche von 15 % des aktuellen Niveaus (für einen Krieg ohne nuklearen Winter [NW0]) bis zu 38 % des aktuellen Niveaus das aktuelle Niveau (für das schwerste nukleare Winterszenario; Tabelle 5).

In Szenario B, in dem davon ausgegangen wird, dass die Hälfte aller Nahrungsenergie und Proteine ​​aus anderen Quellen stammt (z. B. von einigen frostempfindlichen Nutzpflanzen und grasgefütterten Nutztieren), wäre sogar noch weniger Ackerland erforderlich. Das heißt, sie würde zwischen 9 und 24 % der derzeitigen Anbaufläche liegen (für das Szenario ohne nuklearen Winter bzw. für das Szenario mit dem strengsten nuklearen Winter).

Im Basisszenario wurde geschätzt, dass das aktuelle Niveau der frostbeständigen Pflanzenproduktion in Neuseeland im Szenario ohne nuklearen Winter 74 % der Nahrungsenergie der Bevölkerung liefern kann (d. h. es verbleibt ein Defizit von 26 %, Tabelle 7). Für das Szenario eines schweren nuklearen Winters betrug dieser Versorgungsgrad jedoch nur 29 %, was einem Defizit von 71 % entspricht. Wenn man die Möglichkeit in Betracht zieht, dass 50 % der Nahrungsmittel aus anderen Quellen stammen (z. B. frostempfindliche Pflanzen in Gewächshäusern und grasgefütterte Nutztiere), könnte das derzeitige Niveau der frostbeständigen Pflanzenproduktion in allen Szenarien zu einem Energieüberschuss führen, mit Ausnahme eines Defizits im strengen Szenario Szenario eines nuklearen Winters (d. h. nur 58,5 % der benötigten Produktion fallen an, Tabelle 7).

Diese Studie hat herausgefunden, dass Weizen die theoretisch optimalste einzelne frostbeständige Kulturpflanze für Neuseeland aus kombinierter Nahrungsenergie- und Proteinperspektive ist. In Neuseeland wird es bereits angebaut, auch mit weltweit führenden Erträgen53, allerdings mit Abhängigkeit von importiertem Diesel, Düngemitteln und Pestiziden. Weizen hat außerdem den Vorteil, dass er nicht gekühlt werden muss, relativ energiereich ist (was die Kosten für den Lebensmitteltransport senkt) und überschüssiges Getreide an Nutztiere (z. B. Geflügel zur Eierproduktion) verfüttert werden kann. Aber auch die anderen frostbeständigen Nutzpflanzen, die in der Optimierungsanalyse in Tabelle 5 bevorzugt werden, haben im Vergleich zu Neuseelands derzeit größten Nahrungsmittelexporten von Milchprodukten und gefrorenem Fleisch einige der gleichen Vorteile, nämlich weniger komplexe Inputs und weniger komplexe Verarbeitungsanforderungen.

Andere frostbeständige Pflanzen als Weizen könnten an bestimmten Standorten, an denen sie derzeit in Neuseeland angebaut werden, ebenfalls einen komparativen Produktivitätsvorteil haben (z. B. Zwiebeln und Karotten in Pukekohe; Hafer, Gerste, Leinsamen und Roggen in Canterbury usw.). Gemüsepflanzen haben auch den zusätzlichen Vorteil, dass sie nicht unbedingt einer weiteren Verarbeitung bedürfen (im Vergleich zu Getreide, das normalerweise gemahlen werden muss, obwohl ungemahlenes Getreide immer noch gekocht und gegessen werden kann). Darüber hinaus können die meisten Gemüsesorten möglicherweise vor ihrer vollen Größe geerntet werden, wenn die Auswirkungen des nuklearen Winters in den Sommermonaten schwerwiegender wären als erwartet (im Gegensatz zu Getreide, das seine volle Reife erreichen muss).

Ein weiteres wichtiges Ergebnis war, dass es bei den derzeitigen Produktionsmengen frostbeständiger Pflanzen zu Engpässen bei der Nahrungsenergie kommen würde (von 26 % im Szenario ohne nuklearen Winter und von 71 % im Szenario im strengen nuklearen Winter; Tabelle 7). Dennoch könnten solche Defizite möglicherweise durch eine laufende Produktion der in Szenario B berücksichtigten Nahrungsquellen behoben werden. Das heißt, der Versuch, eine gewisse Produktion frostempfindlicher Pflanzen in Gewächshäusern aufrechtzuerhalten, oder wenn es in den Sommermonaten keine Fröste außerhalb der Saison gibt in wärmeren Teilen des Landes. Dies könnte insbesondere bei Nutzpflanzen wie Kartoffeln (die einige Frostschäden am Laub überstehen können) als bei Obst (z. B. Äpfel, Avocados und Kiwis) möglich sein. Eine weitere Option wäre die Aufrechterhaltung der grasgefütterten Tierhaltung auf Hügelland in der Nähe von Städten und entlang von Eisenbahnnetzen (insbesondere dem elektrifizierten Teil des Nordinsel-Eisenbahnnetzes). Wenn kein Biodiesel für den LKW-Transport verfügbar wäre, könnten Schafe und Rinder über „Viehtriebe“ zu Bahndepots oder direkt zu Schlachthöfen in nahegelegenen Städten „geführt“ werden.

Andere Arbeiten zu sonnenlichtblockierenden Katastrophen (für die USA)71 identifizierten ebenfalls den potenziellen Wert einiger der gleichen „kältetoleranten“ Nutzpflanzen, die wir in diese Studie einbezogen haben (z. B. Weizen und Raps). Allerdings umfasste diese US-Arbeit auch Kartoffeln, die wir aufgrund der Frostempfindlichkeit des Kartoffellaubs ausgeschlossen haben (Tabelle 2). Die US-Arbeit berücksichtigte auch die potenziellen Vorteile der Ausweitung der Algen- und Aquakultur (zur Produktion zusätzlicher Nahrungsmittel für Menschen und Tierfutter), der Verlagerung von Nutzpflanzen, des Baus von Gewächshäusern und der Investition in vielversprechende industrielle, widerstandsfähige Lebensmittel. Letzteres umfasst die Umnutzung von Brauereien sowie Zellstoff- und Papierfabriken zur Herstellung von Nahrungsmitteln durch die Umwandlung von lignozellulosehaltiger Biomasse wie Pflanzenresten, Blättern und Holz in essbaren Zucker. Ein weiterer Ansatz ist die industrielle Umwandlung von Erdgas/Biogas in Protein. Wenn solche Lebensmittel als Nahrung für den Menschen unakzeptabel wären (obwohl die proteinhaltigen Lebensmittel wahrscheinlich eine gewisse Ähnlichkeit mit dem aktuellen Lebensmittel „Quorn“ aufweisen), könnten sie zur Herstellung von Geflügelfutter für die Eierproduktion verwendet werden. All dies erfordert möglicherweise weitere Untersuchungen im neuseeländischen Umfeld, und tatsächlich gibt es laufende Forschungen zur Ausweitung der Algenproduktion72. Forschungen in diesen und anderen Bereichen könnten auch die Fähigkeit Neuseelands ermitteln, eine größere Bevölkerung durch ankommende Flüchtlinge zu ernähren.

Diese Studie ist (unseres Wissens) die erste ihrer Art, die eine solche Optimierungsanalyse für die Produktion frostbeständiger Nahrungspflanzen für Atomkriegsszenarien durchführt. Es ist jedoch in vielerlei Hinsicht simpel, wie unten beschrieben.

Es bestehen immer noch große Unsicherheiten hinsichtlich des Ausmaßes der Auswirkungen eines nuklearen Winters durch mögliche Atomkriegsszenarien, und die Modellierung basiert auf verschiedenen vereinfachenden Annahmen. Die von uns für Neuseeland verwendeten Schätzungen von Obwohl das Modell von Xia et al. Obwohl die Auswirkungen auf „Oberflächenlufttemperatur, Niederschlag und nach unten gerichtete direkte und diffuse Sonnenstrahlung“ berücksichtigt wurden, wurden potenzielle Schäden für die Landwirtschaft durch verstärktes ultraviolettes Licht nach einem Atomkrieg nicht berücksichtigt73.

Unsere Ernteertrags- und Nährwertdaten waren nicht ausschließlich neuseelandspezifisch und einige der Produktivitätsbereiche waren groß (z. B. schwankt die gemeldete Karottenernteproduktion in Neuseeland zwischen 70 und 170 t/ha, Tabelle 3). Wir haben auch nur eine Pflanzung pro Jahr in Betracht gezogen, und dennoch könnte es für einige Nutzpflanzen (insbesondere Gemüse) in einigen nördlichen Regionen zwei Pflanzungen pro Jahr geben, wenn diese milderen nuklearen Winterbedingungen ausgesetzt wären. Bei manchen Feldfrüchten haben wir nur die Wurzelbestandteile der Feldfrüchte einbezogen (Steckrüben, Zuckerrüben und Zwiebeln), doch unter schwierigeren Umständen könnte das Blattwerk dieser Feldfrüchte auch für den menschlichen Verzehr verfügbar gemacht werden.

Lebensmittelverschwendung nach dem Verlassen des Hofes (z. B. beim Getreidemahlen, beim Transport oder auf Haushaltsebene) haben wir nicht berücksichtigt. Beispielsweise kann bei frischem Gemüse die vermeidbare Verschwendung auf Haushaltsebene beträchtlich sein (z. B. 13 %, wenn der Mittelwert von drei europäischen Studien verwendet wird74, und 20 % für das Vereinigte Königreich75).

Abgesehen von Nahrungsenergie und Protein wurden in den Optimierungsprozess keine anderen Nährstoffe (z. B. andere Makronährstoffe und Mikronährstoffe) einbezogen. Ebenso haben wir keine Probleme im Zusammenhang mit Verbindungen berücksichtigt, die die Aufnahme von Mikronährstoffen behindern können (z. B. Glucosinolate und Phytate in Rapsmehl), die im Idealfall eine zusätzliche Verarbeitung benötigen, um sie für die menschliche Ernährung zu optimieren48. Diese Probleme sollten im Idealfall in zukünftigen Forschungsarbeiten behandelt werden, sind jedoch möglicherweise keine besonders schwerwiegenden Probleme, da in einer nuklearen Wintersituation wahrscheinlich einige der in unserem Szenario B beschriebenen Nahrungsquellen vorhanden sein werden (z. B. einige frostempfindliche Pflanzen, einige tierische Produkte usw.). Produkte aus heimischem und gemeinschaftlichem Gartenanbau).

Die bei der Optimierung verwendete Zielfunktion bestand lediglich darin, die benötigte Anbaufläche zu minimieren. Idealer wären geschätzte Nachkriegspreise auf Einzelhandelsebene in Städten und Gemeinden gewesen. Solche Preise sind jedoch für nukleare Winterszenarien besonders schwer abzuschätzen, da die Knappheit der Importe die Preise für Saatgut, Düngemittel, Pestizide, Biodiesel und Maschinenteile dramatisch erhöhen könnte (während die Arbeitspreise mit dem Verlust von Exportmärkten sinken würden). .

Eine Schlüsselaufgabe der Regierung besteht darin, dafür zu sorgen, dass die Grundbedürfnisse der Bevölkerung erfüllt werden. Angesichts unserer Ergebnisse und der damit verbundenen Unsicherheiten könnte die neuseeländische Regierung daher die Durchführung oder Beauftragung von Untersuchungen zu Folgendem in Betracht ziehen:

Neuseeland-spezifische Klima-/Wettermodellierung nuklearer Winterszenarien zur Bestimmung wahrscheinlicher Vegetationsperioden für wichtige frostbeständige Nutzpflanzen und der Risiken von Frösten außerhalb der Saison (z. B. möglicherweise aufbauend auf für Australien erstellten Klima- und Weizenerntemodellen76). Dies könnte die Ausweitung frostbeständiger Kulturen (vor dem Krieg und/oder unmittelbar danach) steuern und auch den Spielraum für frostempfindliche Kulturen in wärmeren Teilen des Landes bestimmen. Unsicherheiten bei Variablen wie Ernteerträgen und Verschwendung könnten in einer probabilistischen Sensitivitätsanalyse erfasst werden.

Identifizieren Sie den Umfang importierten Saatguts für kritische Nutzpflanzen und untersuchen Sie die Logistik eines in Neuseeland ansässigen Vorrats an zusätzlichem Saatgut, um Lücken für eine ganze Vegetationsperiode zu schließen. Wenn die Analyse zeigt, dass dies logistisch möglich ist, könnte das Saatgut bei der ersten Ernte in einer nuklearen Wintersituation gesammelt werden und ein sich selbst tragendes System, das unabhängig von Importen ist, aufgebaut werden.

Ermittlung aller Anfälligkeiten des Agrarsektors für den Zusammenbruch des Welthandels und den Verlust importierter Waren. Dazu gehören neben verschiedenen Saatgutimporten auch Importe einiger Arten von Düngemitteln, Pestiziden, Ersatzteilen für Landmaschinen und Diesel (letzterer wird für die Ernte, Verarbeitung und den Transport zu Lebensmittelverarbeitern/-märkten benötigt). Ebenso das Ausmaß, in dem die Produktion kritischer Inputs in Neuseeland gesteigert werden könnte (z. B. Biodiesel aus Rapspflanzen und heimische Düngemittelproduktion). Es könnte auch über die Wiederherstellung von Onshore-Raffinierungskapazitäten für flüssige Kraftstoffe aus dem in der Taranaki-Region geförderten Öl und Gas nachgedacht werden.

Identifizierung kulturspezifischer Anfälligkeiten für Schäden/Verluste der lokalen Infrastrukturintegrität. Dazu gehört der Zugang zu: Strom für die Bewässerung; zu lokal produziertem Biodiesel; und an das Schienennetz für den Transport zu Märkten (z. B. unter der Annahme, dass möglicherweise nicht genügend Kraftstoff für den LKW-Transport verfügbar ist).

Ermittlung des Potenzials einiger Nutzpflanzen für alternative Verwendungszwecke außerhalb des Lebensmittelbereichs, für die Landwirte möglicherweise höhere Preise erzielen – und damit die Lebensmittelversorgung einschränken. Dazu gehört die Nutzung von Getreide zum Brauen von Alkohol und zur Biodieselproduktion. Letzteres gilt für frostbeständige Kulturen wie Raps, Zuckerrüben, Futterrüben und Lupinen. Engpässe bei importierten Arzneimitteln könnten auch dazu führen, dass einige Landwirte auf den Anbau relevanter Ausgangspflanzen (z. B. Mohn für die Morphinproduktion) umsteigen.

Ermittlung der Fähigkeit der Regierung, Gelder an bedürftige Bürger zu verteilen, damit diese Landwirte oder Lebensmitteleinzelhändler bezahlen können. Mögliche Schwachstellen sind hier das Ausmaß der Abhängigkeit von Finanznetzwerken und Regierungssystemen von Cloud-Speichern in anderen Ländern (die bei einem Atomkrieg zerstört werden könnten). Ein Vorrat an Papiergeld oder Goldmünzen der Reserve Bank könnte eine Überlegung wert sein (Letzteres könnte auch zur Stabilisierung der Währung und zum Kauf von flüssigem Treibstoff aus Australien verwendet werden).

Ermittlung der Machbarkeit der Ausweitung des städtischen Gartenbaus (z. B. aufbauend auf internationaler Forschung77 und bestehenden neuseeländischen Initiativen wie den Māori-Gemeinschaftsgärten63), insbesondere in Bezug auf frostbeständiges Gemüse. Städtische Hitzeeinwirkungen und Hitze von Gebäuden können solchen Gemüsesorten zusätzlichen Schutz vor Frost außerhalb der Saison bieten.

Ermittlung der Machbarkeit der Aufrechterhaltung der grasgefütterten Viehproduktion auf Hügelland in der Nähe von Städten und entlang von Eisenbahnnetzen (insbesondere dem elektrifizierten Teil des Nordinsel-Eisenbahnnetzes).

Ermittlung der Machbarkeit der Aufrechterhaltung des Schifffahrtshandels mit Australien (z. B. um Weizenimporte nach Neuseeland zu ermöglichen) und mit pazifischen Inselstaaten (z. B. denjenigen, die Kopra, Palmöl und Fisch exportieren). Dies würde von der Komplexität der Aufrechterhaltung der regionalen Schifffahrt abhängen, da es keine funktionierenden globalen Schifffahrtsrouten und internationalen Schiffe gibt und Neuseeland über genügend Waren oder Dienstleistungen verfügt, um im Gegenzug Handel zu treiben (oder möglicherweise Gold aus einer strategischen Reserve zu nutzen, die in Neuseeland eingerichtet wurde). Vorkriegszeit).

Ermittlung des Werts von Investitionen der neuseeländischen Regierung in die Züchtung frostbeständigerer Sorten für Schlüsselkulturen (für den aktuellen Gebrauch und/oder für Saatgutvorräte). Diese Sorten könnten die Überlebensrate in besonders kalten Wintern erhöhen (wie bei Nutzpflanzen wie Winterweizen), aber auch bei Frost-Tau-Zyklen im Herbst und Frühling (siehe Einleitung).

Wenn es den neuseeländischen Regierungen und der Gesellschaft nicht gelingen würde, solche Untersuchungen durchzuführen und angemessene Vorbereitungen zu treffen, könnte das Ausmaß der staatlichen Intervention zur Gewährleistung der Ernährungssicherheit relativ strenge Maßnahmen erfordern. Dazu könnte die Rationierung wichtiger Inputs für die effizientesten Formen der Landwirtschaft gehören (z. B. Diesel-/Biodieselversorgung, Düngemittel, Pestizide und Ersatzteile für Landmaschinen). Es könnte Ähnlichkeiten mit der Anforderung zur Benzinrationierung in Neuseeland im Zweiten Weltkrieg (2. Weltkrieg) geben78. Die Regierung muss möglicherweise auch die Verwendung von für den Menschen essbaren Pflanzen verbieten, die direkt an Nutztiere verfüttert werden, damit diese für die Ernährung der Menschen genutzt werden können. Auch die Verwendung von Getreide für die Alkoholherstellung (z. B. Gerste zum Mälzen von Bier) muss möglicherweise für einen bestimmten Zeitraum ausgesetzt werden. Sollte es zu Engpässen bei der Nahrungsmittelversorgung kommen, wäre möglicherweise eine Lebensmittelrationierung für die Bürger erforderlich, wie im Zweiten Weltkrieg in Neuseeland78.

Diese Ergebnisse könnten auch für andere potenzielle Sonnenlicht-blockierende Katastrophen wie Vulkanausbrüche großen Ausmaßes79 und große Asteroiden-/Kometeneinschläge80 von Bedeutung sein. Beispielsweise führte der Vulkanausbruch des Tambora-Gebirges in Indonesien im Jahr 1815 zu einer Abkühlung der globalen Landtemperaturen im Jahr 1816 um geschätzte −1,9 °C (± 0,2 °C)81 und trug zu Hungersnöten weit entfernt von Indonesien bei (z. B. in Teilen Europas, Indien und China27). Ausbrüche der Tambora-Skala und größer (Magnituden 7 und 8 + auf dem vulkanischen Explosionsindex) treten etwa 1,6 Mal pro 1000 Jahre82 auf (entspricht etwa einer Wahrscheinlichkeit von eins zu sechs pro Jahrhundert83).

Bei den derzeitigen Produktionsmengen könnten frostbeständige Nahrungspflanzen nach einem Atomkrieg nicht alle neuseeländischen Bürger ernähren. Die neuseeländische Regierung muss vor dem Krieg eine detaillierte Analyse darüber durchführen, wie diese Defizite am besten behoben werden können. Zum Beispiel durch: erhöhte Vorkriegsproduktion dieser Nutzpflanzen und/oder Skalierbarkeit nach dem Krieg; ausreichend frostempfindliche Pflanzen anbauen (z. B. in Gewächshäusern oder in den wärmsten Teilen des Landes); und/oder Sicherstellung der kontinuierlichen Produktion von Nahrungsmitteln, die von Nutztieren stammen, die mit frostbeständigen Gräsern gefüttert werden.

Alle während dieser Studie generierten oder analysierten Daten sind in diesem veröffentlichten Artikel und in einer ergänzenden Informationsdatei enthalten.

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Wir danken A/Prof Dave Denkenberger (Alliance to Feed the Earth in Disasters (ALLFED)) für hilfreiche Kommentare zu einem Manuskriptentwurf.

University of Otago, Wellington, Neuseeland

Nick Wilson

Massey University, Wellington, Neuseeland

Ben Payne

Adapt Research Ltd, Reefton, Neuseeland

Matt Boyd

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Die Studie wurde von NW konzipiert und entworfen, mit Überarbeitungen von MB. Datenerfassung, -analyse und -verfassen. Der erste Entwurf stammte von NW. Sowohl MB als auch BP waren bei der Überarbeitung des Manuskripts behilflich.

Korrespondenz mit Nick Wilson.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

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Eingegangen: 08. März 2023

Angenommen: 16. Mai 2023

Veröffentlicht: 22. Mai 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-35354-7

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