Wie Reisanbau das Klima killt

Schornsteine für Methan

Reisfelder in Indonesien Bild vergrößern
Reisfelder in Indonesien

Ob in der heißen Wüste Australiens oder im vergleichsweise kühlen Japan, in der italienischen Po-Ebene oder im Himalaya dreitausend Meter über dem Meer – Reispflanzen haben sich an viele verschiedene Lebensbedingungen angepasst und scheinen fast überall auf der Welt zu wachsen. Genauer gesagt: In 89 Ländern auf sechs der sieben Kontinente stehen Reisfelder; nur in der Eiseskälte der Antarktis sucht man tatsächlich vergeblich nach ihnen.

Die Menschen schätzen die Genügsamkeit und die Vielseitigkeit dieses Getreides seit Jahrtausenden. Zwar sind sich die Experten immer noch nicht einig, wann und wo Reis erstmals gezielt angepflanzt wurde. Aber es gibt Hinweise darauf, dass in Asien bereits vor rund 8.000 Jahren systematisch Reis angebaut wurde. Ganz sicher haben die Chinesen schon vor etwa 5.000 Jahren Reisfelder angelegt. Über Indien und Persien gelangte das Getreide in die fruchtbaren Ebenen des Euphrat und nach Ägypten. Alexander der Große brachte es im 4. Jahrhundert v. Chr. auf seinen Feldzügen ans Mittelmeer. Etwa 1000 n. Chr. kultivierten die Mauren Reis in Spanien. Im 16. Jahrhundert begannen die Italiener und Spanier Reisfelder anzulegen. Zur gleichen Zeit brachten die Europäer den Reis nach Zentral- und Südamerika; im 17. Jahrhundert begannen schließlich auch die Nordamerikaner, das Getreide zu züchten.

Heute werden weltweit ca. 600 Millionen Tonnen Reis produziert, 90 Prozent davon in Asien. Damit ist Reis für rund die Hälfte der Weltbevölkerung das wichtigste Grundnahrungsmittel. Der Anbau prägt viele Kulturen und Landstriche, etwa auf der indonesischen Insel Bali oder den Philippinen, wo riesige terrassenförmige Reisfelder die Landschaft prägen. In vielen Regionen wird Reis sogar als eine Art Heiligtum verehrt: Für die Menschen auf Bali beispielsweise verkörpert die Reispflanze die Göttin des Lebens und der Fruchtbarkeit.

Wissenschaftler schätzen, dass es weltweit etwa 120.000 verschiedene Reissorten gibt. Nur wenige davon werden allerdings gezielt angebaut. Die einjährigen Pflanzen werden je nach Sorte bis zu 1,5 Meter hoch und sehen dem Hafer recht ähnlich: An schlanken Halmen wachsen etwa 30 Zentimeter lange Rispen mit je 50 bis 150 Reiskörnern. Am genügsamsten ist der Berg- oder Trockenreis, der ohne künstliche Bewässerung auch noch in 2.000 Meter Höhe über dem Meeresspiegel angebaut werden kann. Allerdings fällt dessen Ernte nicht sonderlich üppig aus.

Spitzenerträge erzielen Bauern dagegen mit Nass- oder Wasserreis. Dessen Jungpflanzen werden in meist künstlich überflutete Felder gesetzt und stehen bis zur Ernte, also drei bis fünf Monate lang, fast ununterbrochen unter Wasser. Je nach Region, Kulturtechnik und Reissorte „kostet“ dies rund 3.000 bis 10.000 Liter Wasser pro Kilogramm Reis. Während in Europa und den USA der Reisanbau inzwischen fast vollständig mechanisiert wurde, ist er in den Hauptanbaugebieten in Asien auch heute noch mit viel Handarbeit und Plackerei verbunden: So muss ein Landarbeiter für jeden Hektar, den er mit Reis bepflanzt, eine Strecke von rund 50 Kilometer durch`s Wasser waten.

Bakterien lieben Schlammbäder

Jährliche Methan-Freisetzung in die Atmosphäre Bild vergrößern
Jährliche Methan-Freisetzung in die Atmosphäre

Weil der Bedarf an Reis bei einer wachsenden Weltbevölkerung seit jeher steigt, waren die Reisbauern stets darum bemüht, immer ertragreichere Pflanzen zu züchten. Während sie mit wilden Sorten nur etwa 200 bis 300 Kilogramm Reis pro Hektar ernten konnten, gelang es ihnen im Lauf der Jahrtausende, Sorten durch Kreuzung zu züchten, die bis zu drei Tonnen pro Hektar liefern. Mitte der 60er Jahre des vergangenen Jahrhunderts läuteten Wissenschaftler dann die so genannte Grüne Revolution ein: Sie entwickelten eine Reissorte, deren Ertrag bis zu zehn Tonnen pro Hektar beträgt.

Diese Arbeiten wurden vom Internationalen Reisforschungsinstitut (//www.irri.org//International Rice Research Institute//, kurz IRRI) auf den Philippinen koordiniert, dem weltweit renommiertesten Forschungsinstitut, das sich mit der Entwicklung neuer Reissorten beschäftigt. Die Wissenschaftler haben dazu eine Genbank angelegt, die heute Samen von rund 80.000 verschiedenen Reissorten enthält. Mit vielen tausend Kreuzungsversuchen pro Jahr – konventionellen sowie inzwischen auch gentechnischen – versuchen sie, immer „bessere“ Reissorten zu entwickeln, das heißt, die Erträge weiter zu steigern, aber auch ökologisch verträglichere Sorten zu finden.

Denn die inzwischen weltweit gigantisch hohe Reisproduktion ist nicht nur ein Segen für die Menschheit. Sie stellt auch eine gewisse Gefahr dar, und zwar für das Weltklima. Der Grund: Vor allem dort, wo Nassreis produziert wird, gelangen große Mengen an Methan in die Atmosphäre. Methan ist ein Treibhausgas, das etwa 21mal stärker wirkt, als Kohlendioxid, der bekannteste und mengenmäßig bedeutsamste Vertreter dieser Stoffklasse.

Treibhausgase funktionieren wie die Glasscheiben eines Gewächshauses, indem sie das Sonnenlicht durchlassen und die von der Erde abgegebene Wärmestrahlung zurückhalten. Ohne die von der Natur freigesetzten Treibhausgase, wäre die Erde unbewohnbar. Die durchschnittliche Temperatur auf der Erdoberfläche betrüge dann nämlich etwa minus 18˚C statt der heutigen plus 15˚C. Seit Beginn des 20. Jahrhunderts hat der Mensch allerdings begonnen, zusätzlich Treibhausgase zu produzieren, beispielsweise durch die Verbrennung von Kohle, Öl oder Erdgas. Fast alle Klimaforscher sind sich heute einig, dass dieser so genannte anthropogene Treibhauseffekt das Weltklima erheblich beeinflusst – und zwar vielfach zum Nachteil der Menschen.

Methan ist ein farb- und geruchloses Gas, das in der Natur immer dann entsteht, wenn sich Mikroorganismen über organisches Pflanzenmaterial hermachen und es zersetzen. Weil es brennbar ist, kann es in Bergwerken im Gemisch mit Luft für so genannte „schlagende Wetter“ sorgen. Darüber hinaus ist es ein wichtiger Bestandteil von Erdgas. Die größten natürlichen Methanquellen sind Feuchtgebiete, Rindermägen und Nassreisfelder. Dort nämlich finden methanogene Bakterien oder Archaea – so die wissenschaftliche Bezeichnung der Methan produzierenden Mikroorganismen – beste Arbeitsbedingungen, und das heißt im Wesentlichen: niedrige Sauerstoffkonzentrationen. Denn sobald größere Mengen an Sauerstoff vorhanden sind, können andere Mikroorganismen in Konkurrenz treten und das organische Material zu Kohlendioxid oxidieren. Sind Oxidationsmittel wie Sauerstoff jedoch verbraucht, können die Archaebakterien, ihre Methan-Produktion anschmeißen.

In überschwemmten Reisfeldern tummeln sich diese Bakterien im Schlamm. Dabei gilt: Je länger die Felder überflutet sind, desto geringer sind die Konzentrationen von Sauerstoff und anderen Oxidationsmitteln und desto eifriger läuft die Produktion des Treibhausgases. Welche mikrobiologischen und chemischen Prozesse im Detail dafür verantwortlich sind, untersuchen Ralf Conrad, Direktor am Max-Planck-Institut für terrestrische Mikrobiologie in Marburg, und seine Mitarbeiter. „Nur wenn wir diese Mechanismen genau kennen, können wir gezielt nach Ansätzen suchen, um die Methan-Emissionen in Reisfeldern zu verringern, und damit zum Klimaschutz beitragen“, erklärt der Mikrobiologe.

Forscher lassen ins "Röhrchen blasen"

Im Labor wächst der Reis sogar im Reagenzglas. Bild vergrößern
Im Labor wächst der Reis sogar im Reagenzglas.

So haben die Forscher beispielsweise untersucht, wie das Methan, das die Bakterien im Schlamm produzieren, überhaupt aus den Feldern in die Atmosphäre gelangt. Dabei gibt es prinzipiell drei Möglichkeiten: Gasblasen könnten ähnlich wie in einer Sprudelflasche an die Wasseroberfläche „perlen“. Das Gas könnte durch die oberhalb des Schlamms stehende Wasserschicht diffundieren oder – und das wäre die dritte Möglichkeit – das Methangas nutzt die Halme der Reispflanzen, um aus dem Schlamm, quasi wie durch einen Schornstein, in die Atmosphäre zu gelangen.

In den Reisfeldern der italienischen Po-Ebene starteten die Marburger Forscher ihre Freilandversuche. Wie viel Methan wird jeweils über die oben beschriebenen verschiedenen Wege freigesetzt? Um einer Antwort auf die Spur zu kommen, war zunächst einmal Tüftlergeist gefragt. Die Forscher entwickelten 1,20 Meter hohe, quaderförmige Plexiglas-„Fallen“, die sie in den überschwemmten Feldern aufstellten. Mittels elektronisch gesteuerter Klappen konnten sie die Luftzufuhr von außen genau steuern und in den zeitweise geschlossenen Fallen die Mengen der produzierten Gase messen. Dazu entnahmen sie in regelmäßigen Abständen Gasproben und analysierten deren Zusammensetzung.

An intakten Reispflanzen ermittelten die Wissenschaftler, wie viel Methan das System insgesamt freisetzt. Nachdem sie unter einigen Plexiglasgefäßen alle Reishalme entfernt hatten, untersuchten sie, wie viel Methan aus dem schlammigen Boden in die Luft gelangt. Diesen Versuch wiederholten sie, nachdem sie unter die Methan-Fallen dünne Nylonnetze gespannt hatten. Diese verhindern, dass aufsteigende Luftblasen an die Wasseroberfläche gelangen. Außerdem tauchten sie zwischen die Reispflanzen umgedrehte Trichter, wenige Millimeter unterhalb der Wasseroberfläche, und maßen, wie viel Methan durch die Trichterspitze entweicht. Das Ergebnis: Etwa 90 Prozent des Methans verlässt den schlammigen Reisfeldboden durch die Reishalme. Nur rund zehn Prozent steigen als Gasblasen auf, während die Diffusion tatsächlich kaum eine Rolle spielt.

Zahlreiche weitere Geheimnisse um die Methan-Produktion konnten Ralf Conrad und seine Mitarbeiter durch Experimente mit Reispflanzen im Gewächshaus und Pflanzen im Labor lüften. So fanden sie beispielsweise heraus, dass rund 20 Prozent des Methans, das die Archaebakterien produzieren, bereits im Boden zu Kohlendioxid oxidiert werden. Folglich gelangen also nicht 100 Prozent, sondern lediglich 80 Prozent des Treibhausgases in die Atmosphäre – ein nicht zu unterschätzender Unterschied. Und sie entdeckten, dass die Bakterien, die für diesen Umwandlungsprozess zuständig sind, äußerst empfindlich auf die Stickstoffdüngung von Reisfeldern reagieren: Die Methan-Oxidation nimmt unter diesen Bedingungen zu, die Methan-Produktion durch die Archaea dagegen ab – beides führt in der Summe dazu, dass weniger Methan freigesetzt wird.

Querschnitt durch das Aerenchym (Luftleitgewebe) einer Reiswurzel. Bild vergrößern
Querschnitt durch das Aerenchym (Luftleitgewebe) einer Reiswurzel.

Methan-Produzenten auf dem Trockenen

Reisproduzenten weltweit Bild vergrößern
Reisproduzenten weltweit

Anbaumethode, Bodenbeschaffenheit und Klima beeinflussen nicht nur den Reis-Ertrag, sondern auch die Höhe der Methan-Emissionen. Um exakte Vergleiche anstellen zu können, startete das IRRI eine internationale Messkampagne: In fünf verschiedenen asiatischen Ländern (China, Indien, Thailand, Indonesien, Philippinen) wurden acht Messstationen in Reisfeldern aufgebaut.

Bestandteil jeder dieser Messstationen waren ähnliche Plexiglas-„Fallen“, wie sie bereits die Marburger Wissenschaftler in Italien genutzt hatten. Auch hier wurden die Luftzufuhr und –abfuhr über Klappen geregelt und in regelmäßigen Abständen Gasproben analysiert – ein nicht ganz einfaches Unterfangen. Denn weit ab von jeder Steckdose mussten die Forscher ihre Computer und viele andere elektrische Geräte mitten in den Reisfeldern mit Kompressoren betreiben.

Nach mehrjährigen Untersuchungen stellte sich heraus, dass vor allem die Art und Weise, wie die Bauern ihre Felder bewirtschafteten, einen großen Einfluss darauf hat, wie viel Methan entsteht. Wenn sie etwa das Reisstroh nach der Ernte auf den Feldern verrotten ließen, fanden die Archaebakterien besonders viel Nahrung und ließen die Methanproduktion auf Hochtouren laufen, legten die Bauern die Felder dagegen während einer Anbauperiode kurzzeitig trocken, so sank die Methan-Emission erheblich.

In den Marburger Labors wurde dieses Phänomen genauer untersucht. Conrad und seine Mitarbeiter ließen also Reispflanzen im Treibhaus wachsen. Nach gut sechs Wochen, kurz vor der Reisblüte, entwässerten sie die Pflanzgefäße und ließen den Schlamm zwei Tage lang trocknen. Dann wurden die Mini-Reisfelder wieder geflutet. Während des gesamten Versuchs nahmen die Forscher Gasproben und analysierten deren Methan-Gehalt. Ihre Laborversuche bestätigten die Ergebnisse aus der IRRI-Messkampagne: die Methan-Freisetzung unmittelbar nach der Entwässerung war besonders hoch. Mit der Drainage wurde schlagartig das gesamte Methan frei, das unter der Wasseroberfläche gefangen war. Nachdem die Reispflanzen wieder unter Wasser standen, ging die Methan-Emission jedoch wieder drastisch zurück.

Dieser Effekt hielt – zum Erstaunen der Marburger Mikrobiologen – sogar über vier Wochen, bis zum Ende des Versuchs, an. Ralf Conrad hat eine Erklärung parat: „Während der kurzen Drainage wird der Schlamm gut belüftet. Dadurch kann Sauerstoff die Eisensalze und andere Stoffe oxidieren. Diese werden dabei selber zu guten Oxidationsmitteln. Das alles aber ist „Gift“ für die Bakterien. Sie drosseln ihre Produktion und können sie erst wieder hochfahren, wenn die Oxidationsmittel im Schlamm verbraucht sind – und das kann eben Wochen dauern.“

Im Vergleich zu Kontrollversuchen nahm die Methan-Produktion in den kurzzeitig trockengelegten Feldern insgesamt um 50 Prozent ab. Allerdings wurde organisches Material stattdessen vermehrt zu Kohlendioxid abgebaut. Die Kohlendioxid-Emission stieg sogar um 50 Prozent. Trotzdem wäre es für das Weltklima ein Gewinn, würden mehr Reisbauern ihre Felder periodisch entwässern, da Methan – wie bereits erwähnt - ein viel stärkeres Treibhausgas ist als Kohlendioxid. Das durch Trockenlegung „eingesparte“ Methan hätte den Treibhauseffekt rund ein Dutzend mal stärker „angeheizt“, als das stattdessen entstandene Kohlendioxid!

Heute ernähren sich rund 2,5 Milliarden Menschen in erster Linie von Reis. Die Wissenschaftler des IRRI auf den Philippinen schätzen, dass diese Zahl bis zum Jahr 2025 auf rund 3,5 Milliarden zunehmen wird. Sie versuchen deshalb weiterhin, Reissorten und Anbaumethoden zu entwickeln, die noch höhere Erträge liefern, dabei aber die Umwelt und das Weltklima möglichst wenig schädigen. Grundlagenforschung, wie sie Ralf Conrad und seine Mitarbeiter am Max-Planck-Institut für terrestrische Mikrobiologie in Marburg betreiben, kann dazu wertvolle Beiträge liefern.

GEOMAX Ausgabe 6, Herbst 2003; Autorin: Ute Hänsler