Habt ihr auch schon mal so ein kleines Biotop im Glas gehabt? Oder auch Flaschengarten genannt? Ein intaktes kleines Ökosystem mit Pflanzen, Boden, Mikroorganismen und allem, was dazu gehört, verschlossen in einem kleinen Glas, unabhängig von der Außenwelt. In dieser Episode vom Forschungsquartett beschäftigen wir uns im Prinzip auch mit einem solchen Flaschengarten, nur in sehr viel größer: drei Tonnen Erde, drei Meter hohe Kammern für Pflanzen und das Ganze vollgepackt mit Technik, die alles Mögliche messen und auch steuern kann. Die Forschungsplattform Agrasim am Forschungszentrum Jülich bietet genau das – und zwar sogar sechsmal nebeneinander. Was dort alles untersucht und getestet werden kann, darum geht es jetzt. Und damit herzlich willkommen zum Forschungsquartett! Mein Name ist Caroline Breitschädel, schön, dass ihr mit dabei seid. Das Forschungsquartett – Wissenschaft bei detektor.fm in Kooperation mit dem Forschungszentrum Jülich. Am 7. September 2025 hat Agrasim am Forschungszentrum Jülich offiziell den Betrieb aufgenommen. Die neue Forschungsplattform wird auch Pflanzenzeitmaschine genannt, denn Pflanzen und Boden können mit Agrasim sozusagen in die Zukunft geschickt werden. So lässt sich dann in den sechs Versuchseinheiten sehr realistisch simulieren, wie Pflanzen reagieren, wenn es zum Beispiel in 50 Jahren heißer und trockener sein wird. An diesen Versuchen beteiligt ist auch Professor Nikolaus Brüggemann. Er leitet die Forschungsgruppe Pflanzen-Boden-Atmosphäre-Austauschprozesse am Forschungszentrum Jülich. Mein Kollege Eduard Bär hat sich mit ihm unterhalten und wollte zuerst wissen, wozu man so eine Pflanzenzeitmaschine überhaupt braucht. Ja, wir müssen ja wissen, wie die Pflanzen in der Zukunft wachsen, um uns weiterhin ernähren zu können. Und zwar wissen wir ja alle, dass es einen sehr schnellen und raschen Klimawandel gibt, der sich in Zukunft natürlich auch noch fortsetzen wird. Aber wir können das jetzt im Freiland so in der Form noch nicht testen, oder nicht testen, da wir natürlich jetzt noch nicht draußen die Bedingungen haben, die wir 2050 oder 2100 haben werden. Dazu brauchen wir deshalb eine Maschine, sage ich mal, eine Forschungsinfrastruktur, mit der wir das dann tatsächlich auch jetzt schon in allen Formen testen können. Stürzen wir uns doch direkt mal darauf, wie diese Maschine aussieht. Die ACRA Sim besteht aus sechs Versuchseinheiten. Teil davon sind jeweils drei Tonnen schwere Lysimeter. Ich stelle mir das wie so große Fässer vor. Korrigieren Sie mich gerne, in denen Erde drin ist. Oder was ist das genau, diese Lysimeter? Ja, genau. Das Lysimeter klingt jetzt komplizierter, als es ist. Im Prinzip haben wir, haben Sie es genau richtig gesagt, haben wir da Metalltonnen, die gefüllt sind mit Boden, den wir tatsächlich so intakt draußen genommen haben, mit dem großen Bagger, der diese Zylinder letztendlich mehr ist es nicht, in den Boden gedrückt hat. Und dann wurde das Ganze danach freigegraben und dann mit unten einer Verschlussplatte versehen. Und dann kamen da natürlich noch ziemlich viele Sensoren rein, weil wir ja dann auch Bodentemperatur und Bodenfeuchte messen wollen. Aber im Grunde genommen ist das nichts anderes als ein Behälter mit einem intakten Bodenkern, den wir draußen im Feld von einem Acker in der Nähe von Jülich genommen haben. Und das haben wir insgesamt sechs Mal gemacht. Und damit haben wir jetzt eben sechs von diesen Kernen oder Bodensäulen, die wir dann jetzt nutzen, um darauf Pflanzen wachsen zu lassen. Und darauf steht dann wiederum eine Kammer, eine Pflanzenkammer, die mit diesem Lysimeter verbunden ist, gasdicht verbunden ist, aber so, dass das Lysimeter auch noch gut gewogen werden kann. Und in dieser Pflanzenkammer werden wir jetzt dann die ganzen Wetterparameter ändern oder auf zukünftige Bedingungen einstellen und dann es regnen lassen oder es austrocknen lassen, heiß werden lassen mit höherem CO2-Gehalt, das Ganze begasen. Also so, dass wir Bedingungen haben, wie sie zu unterschiedlichen Zeiten im 21. Jahrhundert dann wahrscheinlich herrschen werden. Sie meinten ja gerade, den Boden, den haben Sie aus der Nähe irgendwo mitgenommen. Da ist also nicht nur reine Erde drin, könnte man sagen, sondern dann auch die verschiedenen Bodenschichten, Regenwürmer, alles, was dazu gehört? Genau, wir haben alles mitgenommen, was da war, inklusive der verschiedenen Bodenschichten, also Oberboden, Unterboden und dann eben auch mit Bodenlebewesen. Wir haben auch Regenwürmer gesehen und da wird es dann auch noch viele andere Tiere und natürlich auch Bakterien und Pilze geben, die wir dann mitgenommen haben, auch natürlich Pflanzenreste, so wie es auf dem Acker dann, wie wir es letztes Jahr auf dem Acker vorgefunden haben. Und dementsprechend haben wir ein intaktes Ökosystem mitgenommen und wollen das auch genauso in der Form weiterführen und dann eben jetzt auch bald unter zukünftigen Klimabedingungen dann laufen lassen. Jetzt haben Sie ja gerade schon beschrieben, dass über diesen Bodenfässern, sage ich jetzt mal, jeweils noch so drei Meter hohe Kammern sind. Da können dann eben die Pflanzen wachsen, die man in diesen Boden einpflanzt. Wenn Sie da jetzt Ackerboden aus der Nähe eingesetzt haben, sind das ja wahrscheinlich auch Pflanzen, die hier in Deutschland irgendwie wachsen, die man hier anbaut, oder welche Pflanzen untersuchen Sie da? Ja, genau. Jetzt in dem ersten großen Versuch, den wir machen, konzentrieren wir uns erst mal hier auf unsere Gegend, sage ich mal, unsere Böden und unsere Pflanzen, die wir anbauen. Also wir werden einen mehrjährigen Versuch durchführen, indem wir dann die typischen Pflanzen anbauen, die hier auch auf den Äckern angebaut werden, also Mais, Weizen, Zuckerrübe, Raps und so weiter. Und so, dass das so realistisch wie möglich ist. Wir wollen ja da jetzt auch nichts Neues erfinden, sondern wollen ja sehen, wie sich die typischen Fruchtfolgen, wie die Landwirte sagen, eben auch in Zukunft verhalten. Ob es dann überhaupt noch möglich ist, bestimmte Arten anzubauen. Also ob dann zum Beispiel noch eine Kartoffel wächst, oder eine Zuckerrübe, oder vielleicht sogar besser wächst, könnte ja auch sein. Und deshalb beschränken wir uns jetzt erst mal auf die typischen Ackerfrüchte, sage ich mal, die jetzt hier angebaut werden. Jetzt haben Sie da gerade schon gesagt, ja, im Prinzip sechs komplett abgeschlossene Ökosysteme, bei denen Sie aber die Umweltfaktoren, sage ich jetzt mal, komplett selbst verändern können. Was können Sie denn da alles noch steuern? Ja, es gibt schon natürlich Versuche auch draußen im Freiland, wo zum Beispiel die Temperatur erhöht wird oder wo der Niederschlag verringert wird. Wir werden in Zukunft aber eine Kombination haben von allen möglichen Faktoren. Also das wird dann natürlich wärmer werden, auch zum Teil deutlich wärmer. Und gleichzeitig haben wir aber dann höhere CO2-Gehalte in der Atmosphäre, die ja der Hauptgrund dafür sind, dass es wärmer wird. Das ist etwas, was wir im Freiland nur sehr schwer nachstellen können. Dann wird es eben zu bestimmten Phasen trockener werden, also vor allen Dingen die frühsommerliche oder auch Frühjahrstrockenheit, wie wir sie ja jetzt auch schon häufiger beobachten, wird wahrscheinlich noch häufiger auftreten und auch noch länger auftreten. Und dann werden natürlich die Niederschlagsverhältnisse sich verändern. Kann dann auch zu bestimmten anderen Zeiten viel mehr regnen. Und diese Kombination aus diesen verschiedenen Faktoren, die macht es dann einerseits realistisch, aber andererseits eben auch extrem schwierig, das im Freiland zu machen. Deshalb haben wir eben diese Anlage gebaut, mit der wir das dann alles voll kontrolliert steuern können. Und auch jederzeit wissen, was kommt noch. Wir haben dann diese Daten schon jahrelang im Voraus vorliegen und wissen genau, was in diesem Jahr noch kommt, was im nächsten Jahr noch kommt an Klimaextremen, an extremen Niederschlägen oder Trockenheit oder Temperaturextremen. Und das ist der große Vorteil. Im Freiland hätten wir das nicht. Wir wären dann doch sehr stark darauf angewiesen, auf die Witterung draußen. Da könnte man eben nur bedingt ändern, bedingt eingreifen. Und so haben wir das jetzt alles voll unter Kontrolle. Jetzt ist die Agrasim ja noch recht neu, erst vor kurzem eingeweiht worden. Wo stehen Sie denn aktuell? Bauen Sie gerade schon Pflanzen an? Gibt es Untersuchungen, die gerade laufen? Ja, wir haben aktuell schon, also dieses Jahr schon die erste sage ich mal Runde hinter uns unter Jetzt-Zeit-Bedingungen. Also wir hatten ja eingangs von der Pflanzenzeitmaschine gesprochen. Wir haben dieses Jahr schon die erste Pflanzenart angebaut. Also das waren jetzt Futtererbsen, die wir im April angebaut haben und dann im späten August geerntet haben. Und die haben wir mit dem Klima bzw. mit den Witterungsbedingungen von 2017 laufen lassen, die wir gemessen haben. Wir waren in Seelhausen, das ist fünf Kilometer entfernt von Jülich, und haben tatsächlich mit realen Wetterdaten von 2017, also von vor acht Jahren, diese Pflanzen wachsen lassen. Das hat auch sehr gut funktioniert. Wir haben die dann auch geerntet und das hat dann zu realistischen Ergebnissen geführt. Wir haben natürlich jetzt erstmal zu Testzwecken alle sechs Einheiten unter den gleichen Bedingungen laufen lassen, um zu sehen, ob auch wirklich alle Einheiten gleich laufen und auch, um sage ich mal noch Probleme zu identifizieren oder auch sozusagen Kinderkrankheiten auszumerzen. Und ab dem nächsten Jahr werden wir dann anfangen, eben mit unterschiedlichen Klimaszenarien. Im Moment haben wir jetzt eine sogenannte Zwischenfrucht angebaut, die dazu hilft, den Stickstoff, der im Boden verbleibt nach der Ernte, dann aufzufangen, sodass der im Winter nicht verloren geht und nicht nach unten ausgewaschen wird. Und im nächsten Frühjahr werden wir dann Mais aussäen und im nächsten Jahr dann Maispflanzen wachsen lassen. Geht es Ihnen im Endeffekt dann in diesen Experimenten, sage ich mal, vor allem um die Pflanzen, die Sie unter den von Ihnen gesetzten Klimabedingungen anbauen, oder was untersuchen Sie genau? Der entscheidende Punkt ist, dass es uns eigentlich wirklich um das Gesamtsystem geht. Die Pflanzen sind natürlich sehr wichtig, aber ganz besonders wichtig ist auch der Boden, denn wir wollen ja nicht nur untersuchen, wie sich die Pflanzen verhalten unter diesen zukünftigen Klimabedingungen, sondern auch, wie sich der Boden verhält, wie sich die Bodenaktivität verhält, aber auch die anderen wichtigen Bodenfunktionen, wie zum Beispiel Wasserspeicherung, Nährstoffspeicherung, Nährstoffbereitstellung, auch die Reinigung von Wasser oder Abgabe nach unten von, sage ich mal, gereinigtem Wasser, was dann letztendlich auch wieder zu Trinkwasser wird. Und diese Funktionen sind auch alle extrem wichtig und die müssen eben auch von unseren Ackerflächen, natürlich auch von den Wald- und Graslandflächen geleistet werden, aber insbesondere auch von den Ackerflächen. Wir wissen ja jetzt schon, dass es da auch Probleme gibt mit Nährstoffaustrag, aber das könnte sich in Zukunft eben auch noch verschärfen, verschlimmern. Und deshalb ist es eben wichtig, dass man alle Aspekte untersucht, oder uns ist es besonders wichtig, dass wir alle Aspekte untersuchen. Nicht nur die Pflanzen-Performance, sage ich mal, das Wachstum und den Ertrag und auch die Qualität des Ernteguts, sondern eben auch die Reaktion des Bodens und wie dort die Funktionen des Bodens sich verändern und eventuell auch, sage ich mal, schlechter werden. Und dafür haben Sie dann ganz verschiedene Sensoren oder Bodenproben, oder wie kann man sich das vorstellen? Ist ja wahrscheinlich auch schwierig, dann dabei nicht zu sehr einzugreifen oder auch Sachen zu zerstören im Zweifel. Richtig. Wir haben einerseits ziemlich viele Sensoren im Boden, also wir messen dann kontinuierlich die Temperatur, die Bodenfeuchtigkeit in sechs unterschiedlichen Bodentiefen. Wir fangen das Wasser auf, was unten raus sickert, also was dann auch in der Natur draußen oder in der realen Umgebung draußen auch nach unten versickern würde. Das fangen wir auf und das analysieren wir dann. Auf die Zusammensetzung, also natürlich Menge auch und Zusammensetzung, sprich wir schauen dann, wie viel Nährstoffe ausgetragen werden mit dem Wasser, welche Mengen ausgetragen werden, ob überhaupt noch was ausgetragen wird, wenn es in Zukunft heißer wird, weil dann natürlich deutlich mehr Wasser auch verdunstet. Wir messen dann auch den Gasaustausch mit der Atmosphäre, denn die Landoberfläche und die Pflanzen, die darauf wachsen, stehen ja auch in sehr enger Beziehung, in sehr engem Austausch mit der Atmosphäre und beeinflussen die Atmosphäre ja auch sehr stark. Also man muss sich immer klar machen, dass zwei Drittel des Niederschlags, den wir über den Landflächen haben, von den Landflächen, insbesondere von den Pflanzen selber erzeugt wird durch Verdunstung. Und wenn es dort in Zukunft große Veränderungen gibt, hat das natürlich automatisch direkt schon wieder Auswirkungen auf den Niederschlag. Das heißt nicht immer, dass es schlechter werden muss, sondern wenn mehr verdunstet, heißt es in der Regel ja auch, dass es irgendwo dann auch mehr Niederschlag geben wird. Aber wir wissen nicht, genau, wie sich das verändert wird und vor allen Dingen, wo es dann auch und wann es dann auch mehr oder weniger Niederschlag geben wird. Das sind so die Dinge, die wir dann untersuchen und vor allen Dingen auch zusammen mit Kollegen dann auch modellieren, also mit Computermodellen berechnen, wie sich das auch auf größeren Skalen, also in größeren Regionen, dann auswirken wird. Das heißt, um das nochmal in eigene Worte zu fassen: Es geht am Ende nicht nur darum zu schauen, wie reagiert der Boden, wie reagieren die Pflanzen auf die Klimabedingungen, die wir wahrscheinlich in ein paar Jahren haben werden, sondern auch, wie verändert sich möglicherweise daraufhin auch wieder das Klima, als Folge darauf, wie Pflanzen eben dann reagieren. Richtig, denn ein Teil, zum Beispiel ein Teil der CO2-Emissionen, die wir Menschen in die Atmosphäre blasen, werden ja von Pflanzen aufgenommen und dann auch gespeichert, also zumindest zurzeit noch. Wenn das wegfällt, also wenn diese zusätzliche Speicherung wegfallen sollte durch ungünstige Klimabedingungen, dann würde der CO2-Gehalt der Atmosphäre noch deutlich schneller ansteigen, als es zurzeit tut. Also es wird ja ein erheblicher Teil, also ungefähr zurzeit die Hälfte, knapp die Hälfte des CO2, was wir über Verbrennung in die Atmosphäre oder auch Betonherstellung, Zementherstellung in die Atmosphäre blasen, von Landoberflächen und vom Ozean aufgenommen. Und wenn diese sogenannten Senken, also Kohlenstoffsenken, sich abschwächen oder komplett zum Erliegen kommen, dann wird das CO2 der Atmosphäre noch viel schneller ansteigen, bei zurzeit ja noch ungebremster oder noch zunehmender Verbrennung von fossilen Brennstoffen. Das heißt, wir haben da auch ganz extreme Wechselwirkungen zwischen der Landoberfläche, den Pflanzen und der Atmosphäre. Und das ist etwas, was wir auf jeden Fall berücksichtigen müssen. Dadurch kann Klimaveränderung sich abschwächen, also beziehungsweise ist es ja zurzeit noch so, dass die Klimaerwärmung ja deutlich gedämpft wird durch Pflanzen, also Landökosysteme und Ozeane. Aber in Zukunft könnte diese helfende Wirkung der Landoberflächen und der Ökosysteme nachlassen oder ganz zum Erliegen kommen. Jetzt haben Sie gerade ja auch schon diese Computersimulationen mit angesprochen, die Teil Ihrer Experimente sind. Was genau simulieren Sie denn da am Computer parallel? Sind das dann exakt die Szenarien, die auch im Experiment praktisch untersucht werden? Ja, wir machen das tatsächlich in beide Richtungen. Also einerseits nehmen wir die Klimaszenarien, die wir von Kollegen aus der Helmholtz-Gemeinschaft bekommen haben und nutzen die auch jetzt schon mit unseren Modellen, die wir haben, um zu schauen, also um zu simulieren, wie sich in Zukunft die landwirtschaftliche Produktion verändern wird bei bestimmten unterschiedlichen Klimabedingungen, die diese Szenarien berechnet haben. Und können das jetzt schon als erstes Ergebnis auch zeigen. Wir nutzen dann aber unsere Experimente, um zu schauen, ob die Modelle, die wir verwenden, tatsächlich auch wirklich so realistisch und gut sind, wie wir das jetzt im Moment annehmen. Da wird es sicherlich Dinge geben und auch Überraschungen geben, die wir derzeit noch nicht wirklich im Kopf haben oder nicht berücksichtigt haben und die wir dann in die Modelle mit einbauen müssen, also mit integrieren müssen, um die Modelle dann noch weiter zu verbessern. Und dann am Ende werden die Modelle genutzt, um die Erkenntnisse, die wir haben, auch hochzurechnen auf größere Flächen und auch noch weiter in die Zukunft, um damit dann letztendlich auch, weil wir eben auch schon über diese Rückkopplung zur Atmosphäre gesprochen haben und zum Klima, auch berechnen zu können, wie sich dann das Klima auch weiter ändern wird, ob es abgedämpft wird, ob der Temperaturanstieg zum Beispiel gedämpft wird oder ob er vielleicht noch beschleunigt wird. Das sind die Dinge, die da in beide Richtungen dann gemacht werden mit Modellen. Um nochmal zusammenfassend zu fragen: Was erhoffen Sie sich von diesen Versuchen, von den Untersuchungen an Pflanzen und Boden an den Klimaveränderungen herauszufinden? Wie kann das der Forschung oder vielleicht auch dann am Ende ganz praktisch der Landwirtschaft helfen? Einerseits können wir dazu beitragen, Klimamodelle zu verbessern, also auch die Klimamodellierung zu verbessern. Auf der anderen Seite können wir dazu beitragen, auch bestimmte Kombinationen von Ackerfrüchten, von Pflanzen zu testen oder auch bestimmte Sorten, neue Sorten zu testen, die vielleicht unter zukünftigen Klimabedingungen dann besser wachsen oder zumindest weniger stressanfällig sind, also bei höheren Temperaturen und längeren Trockenheiten trotzdem noch eine ordentliche Ernte liefern. Das sind die Dinge, die wir hoffen, dann auch tatsächlich als Ergebnis herauszubekommen, sodass wir letztendlich auch in beide Bereiche liefern können, also sowohl für die Landwirtschaft Informationen bereitstellen können, was sich in Zukunft vielleicht lohnen wird oder eher lohnen wird anzubauen oder wo man vielleicht dann hingehen sollte in Bezug auf Pflanzenarten und Sorten und andererseits auch in der Klimaforschung dann Beiträge zu leisten zur Verbesserung von Klimamodellen. Die Forschungsplattform Agrasim am Forschungszentrum Jülich kann Pflanzen und Boden im Prinzip in die Zukunft schicken, indem Klima und Wetter sehr realistisch in den Versuchseinheiten simuliert werden. So kann man schon jetzt genau untersuchen, wie sich Pflanzen und Boden mit fortschreitendem Klimawandel verhalten oder verändern werden und wie sie dadurch auch selbst dazu beitragen, wie sich wiederum das Klima weiter verändert. Und damit sind wir am Ende dieser Episode vom Forschungsquartett angelangt. Vielen Dank an detektor.fm Redakteur Eduard Bär für die Recherche und das Interview mit Herrn Brüggemann. Die Redaktion dieser Folge haben ebenfalls Eduard Bär und ich übernommen. Und mein Name ist Caroline Breitschädel und ich freue mich, wenn ihr nächste Woche wieder einschaltet. Also bis dahin, macht’s gut und bleibt neugierig. Das Forschungsquartett – Wissenschaft bei detektor.fm in Kooperation mit dem Forschungszentrum Jülich. Untertitel der Amara.org Community.
Foto: Nicolas Brüggemann