Assessing opportunities to increase global food production within the safe operating space for human freshwater use

Abstract

Die Landwirtschaft ist heute der wichtigste Treiber der globalen Degradation von Ökosystemen. Es existiert jedoch wenig konkretes Wissen, wie Ökosysteme zu schützen sind und gleichzeitig die Nahrungsproduktion für die wachsende Weltbevölkerung gesichert werden kann. In dieser Dissertation untersuche ich Optimierungsmöglichkeiten im landwirtschaftlichen Wassermanagement. Ich quantifiziere praxisorientierte Verbesserungen der Regenwassernutzung und Optimierungen von Bewässerungssystemen, unter Einhaltung der „environmental flow requirements“ (EFRs). Um diese komplexen Interaktionen zu untersuchen, entwickle ich ein agro-hydrologisches Modell auf Basis detaillierter, mechanistischer Prozessabbildung weiter. Erstens, 39% der derzeitigen Wasserentnahmen für Bewässerung sind nicht nachhaltig und somit auf Kosten der Ökosysteme. Zweitens, solche lokalen Wasserentnahmegrenzen legen nahe, dass die globale Grenze für den menschlichen Wasserverbrauch deutlich niedriger liegt, als bisher angenommen (2800 vs 4000 km3yr-1). Drittens, die Implementierung von EFRs würde die landwirtschaftliche Produktion erheblich beeinträchtigen, mit >20% in stark bewässerten Gebieten. Verbesserte Nutzung des Niederschlagswassers und die Optimierung von Bewässerungssystemen, können die weltweite Nahrungsmittelproduktion allerdings um rund 40% nachhaltig steigern - ausreichend, um die Nahrungsmittellücke der wachsenden Weltbevölkerung bis 2050 zu halbieren. Zusammenfassend stellt diese Arbeit die erste umfassende und systematische Einschätzung globaler Potentiale der nachhaltigen Intensivierung der Landwirtschaft aus der Wasserperspektive dar. Die in dieser Arbeit vorgebrachten innovativen und quantitativen Erkenntnisse legen nahe, dass das Potential der diskutierten Interventionen höhere politische Aufmerksamkeit erfahren sollte. Meine Ergebnisse können eine konkretere Diskussion zur Umsetzung der Sustainable Development Goals untermauern.

Agriculture is today''s most important driver of ecosystem degradation across scales. However, there is little evidence on how to attain the historic twin-challenge of maintaining environmental integrity while producing enough food for a growing world population. In this thesis, I assess opportunities in agricultural water management to reconcile future food needs with environmental limits to water use. I explore solution-oriented ways to improve rainfed and irrigation systems alike, while safeguarding environmental flows (EFRs). To study complex interactions quantitatively, I advanced a state-of-the-art global modeling framework based on detailed, mechanistic process representation. First, a systematic upscaling of EFRs to global coverage indicates that 39% of current freshwater withdrawals for irrigation are unsustainable and occur at the cost of ecosystems. Second, accounting for EFRs indicates that the planetary boundary for freshwater use might be notably lower (2800 vs. 4000 km3yr-1) than expected. Third, maintaining EFRs would significantly affect food production, cutting >20% of total kcal production across intensely irrigated areas. Fourth, improving irrigation systems in combination with optimizing the use of precipitation water, provides effective and accessible measures to compensate for adverse impacts from protecting EFRs and climate change. Such integrated interventions could sustainably intensify global food production (+40% kcal) to the degree sufficient to halve the global food gap by 2050. In conclusion, this thesis provides the first comprehensive and systematic assessment of hitherto largely unquantified water opportunities in sustainable intensification of agriculture. While requiring corroboration by finer-scale research, the innovative quantitative foundation provided in this thesis suggests that farm water management merits a rise in political attention, and it can inform a more comprehensive discussion of related SDG target interactions.