Munich, Germany
July 1, 2021
When extreme heat becomes more frequent and temperatures remain high for extended periods of time, as it is currently the case in Canada and the American Northwest, physiological stress increases in humans, animals and crops. Prof. Senthold Asseng, director of the World Agricultural Systems Center at the Technical University of Munich (TUM), provides an overview of thresholds and adaptation strategies.
"We have studied which temperatures are preferable and which are harmful in humans, cattle, pigs, poultry, and agricultural crops and found that they are surprisingly similar," says Senthold Asseng, Professor of Digital Agriculture at TUM. According to the study, preferable temperatures range from 17 to 24 degrees Celsius.
When does it become too hot for humans?
At high humidity, mild heat strain for humans begins at about 23 degrees Celsius and at low humidity at 27 degrees Celsius. "If people are exposed to temperatures above 32 degrees Celsius at extremely high humidity or above 45 degrees Celsius at extremely low humidity for a lengthy period of time, it can be fatal," says Prof. Asseng. "During extreme heat events with temperatures far above 40 degrees Celsius, such as those currently being observed on the U.S North West Coast and in Canada, people require technical support, for example in the form of air-conditioned spaces."
To mitigate increasing heat strain, Prof. Asseng cites a variety of strategies, including increasing natural shade from trees or structural shading. Cities and buildings can be made more temperature-passive, for example, by using roof and wall insulation or by using lighter, reflective roof and wall colors to reduce heat strain.
How do high temperatures affect livestock?
In cattle and pigs, heat strain occurs at 24 degrees Celsius with high humidity and at 29 degrees Celsius with low humidity. The milk yield from cows can decrease by 10 to 20 percent when exposed to heat stress, and the fattening performance in pigs is also reduced. The comfortable temperature range for poultry is 15 to 20 degrees. Chickens experience mild heat strain at 30 degrees Celsius. At 37 degrees Celsius and above, they experience severe heat stress and their egg laying rate declines.
Heat stress overall leads to reduced growth in cattle and dairy cows, pigs, chickens and other livestock, which means both lower yields and reproductive performance. "There are examples of evolutionary adaptations to warm weather in terrestrial mammals. Transylvanian naked chickens are more heat tolerant than other varieties of chickens because of a complex genetic mutation that suppresses feather growth. They are naturally air-conditioned because they lack feathers on their necks," says Prof. Asseng.
How do crops react to high temperature?
"In crops, the optimal temperature zone and temperature thresholds seem to be more diverse due to differences between species and varieties," explains Prof. Asseng.
Cold-temperate crops such as wheat, for example, do better at cooler temperatures, while warm-temperature crops such as corn are sensitive to frost but can tolerate warmer temperatures. Strategies to reduce heat stress in crop production include changes in planting dates to avoid heat stress later in the season, irrigation (if feasible), switching to more heat-resistant crops, and breeding to increase heat tolerance.
How is climate change affecting life on Earth?
"By the end of the century, 45 to 70 percent of the global land area could be affected by climate conditions in which humans cannot survive without technological support, such as air conditioning. Currently, it's 12 percent," says Prof. Asseng. This means that in the future, 44 to 75 percent of the human population will be chronically stressed by heat. A similar increase in heat stress is expected for livestock, poultry, agricultural crops and other living organisms.
"Genetic adaptation to a changing climate often takes many generations. The time available is too short for many higher forms of life. If current climate trends persist, many living things could be severely affected or even disappear completely from Earth due to temperature change," concludes Prof. Asseng.
Publications:
Asseng, S., Spänkuch, D., Hernandez-Ochoa, I. M. & J. Laporta (2021)
The upper temperature thresholds of life. In: The Lancet Planetary Health. Volume 5, Issue 6, June 2021, Pages e378-e385. DOI: https://doi.org/10.1016/S2542-5196(21)00079-6
More information:
In February 2021, Prof. Senthold Asseng became the new director of the World Agricultural Systems Center at TUM. He also heads the Chair of Digital Agriculture at the TUM School of Life Sciences since December 2020. His research interests lie in the development of mathematical modeling and computer simulation of agricultural and biological systems in the context of climate variability, climate change and sustainability. This will involve investigating adaptation strategies to improve food security in sustainable agricultural systems in the context of climate change.
This study was supported by the Consortium of International Agricultural Research Centers (CGIAR) research program on wheat agri-food systems (CRP WHEAT) and the CGIAR Platform for Big Data in Agriculture, the Bill & Melinda Gates Foundation, the World Bank, and the Government of Mexico through the Sustainable Modernization of Traditional Agriculture (MasAgro) project.
Ab welcher Temperatur das Wetter zum Problem wird
Wenn, wie derzeit in Kanada und im Nordwesten Amerikas, extreme Hitze häufiger wird und die Temperatur über eine längere Dauer auf hohem Niveau bleibt, steigt der physiologische Stress bei Menschen, Tieren und Pflanzen. Prof. Senthold Asseng, Direktor des Hans Eisenmann-Forums für Agrarwissenschaften an der Technischen Universität München (TUM), gibt einen Überblick über die Schwellenwerte und Anpassungsstrategien.
„Wir haben bevorzugte und schädliche Temperaturen bei Menschen, Rindern, Schweinen, Geflügel und landwirtschaftlichen Nutzpflanzen untersucht und herausgefunden, dass diese erstaunlich ähnlich sind“, sagt Senthold Asseng, Professor für Digital Agriculture an der TUM. Wohlfühltemperaturen liegen demnach zwischen 17 und 24 Grad Celsius.
Wann wird es für den Menschen zu heiß?
Bei hoher Luftfeuchtigkeit beginnt eine leichte Hitzebelastung für den Menschen bei etwa 23 Grad Celsius und bei niedriger Luftfeuchtigkeit bei 27 Grad Celsius. „Wenn Menschen längere Zeit Temperaturen über 32 Grad Celsius bei extrem hoher Luftfeuchtigkeit oder über 45 Grad Celsius bei extrem niedriger Luftfeuchtigkeit ausgesetzt sind, kann das tödlich sein“, sagt Prof. Asseng. „Extremhitzeereignisse mit Temperaturen weit über 40 Grad Celsius, wie sie gerade an der amerikanischen Westküste und in Kanada zu beobachten sind, erfordern daher technische Unterstützung etwa in Form von klimatisierten Räumen.“
Zur Abschwächung der zunehmenden Hitzebelastung nennt Prof. Asseng weitere Strategien, etwa eine verstärkte natürliche Beschattung durch Bäume oder eine bauliche Beschattung. Auch Städte und Gebäude so umzugestalten, dass sie temperaturpassiver sind, beispielsweise durch hellere, reflektierende Dach- und Wandfarben oder eine verbesserte Wand- und Dachisolierung, kann die Hitzebelastung reduzieren.
Wie wirken sich hohe Temperaturen auf Nutztiere aus?
Bei Rindern und Schweinen treten Hitzebelastungen bei 24 Grad Celsius bei hoher Luftfeuchtigkeit und bei 29 Grad Celsius bei niedriger Luftfeuchtigkeit auf. Die Milchleistung bei Kühen kann um 10 bis 20 Prozent sinken, wenn sie einer Hitzebelastung ausgesetzt sind und auch die Mastleistung von Schweinen reduziert sich. Der angenehme Temperaturbereich für Geflügel liegt bei 15 bis 20 Grad Celsius. Eine leichte Hitzebelastung erfahren Hühner bei 30 Grad Celsius, ab 37 Grad empfinden sie eine starke Hitzebelastung, und die Legerate geht zurück.
Hitzestress führt insgesamt zu einem verringerten Wachstum von Rindern und Milchkühen, Schweinen, Hühnern und anderen Nutztieren, das bedeutet niedrigere Erträge und Reproduktionsleistungen. „Es gibt Beispiele für evolutionäre Anpassungen an warmes Wetter bei Landsäugetieren. Die Siebenbürger Nackthühner sind wegen einer komplexen genetischen Mutation, die das Federwachstum unterdrückt, hitzetoleranter als andere Hühner. Sie sind von Natur aus klimatisiert, weil ihnen die Federn am Hals fehlen“, sagt Prof. Asseng.
Wie erlebt die Pflanzenwelt große Hitze?
„Bei Nutzpflanzen scheinen die optimale Temperaturzone und die Temperaturschwellenwerte aufgrund von Unterschieden zwischen Arten und Sorten, vielfältiger zu sein“, erklärt Prof. Asseng.
Kaltzeitige Pflanzen wie Weizen gedeihen beispielsweise besser bei kühleren Temperaturen. Warmzeitige Pflanzen wie Mais sind zwar frostempfindlich, vertragen aber wärmere Temperaturen. Anpassungsstrategien für Hitzestress beim Pflanzenbau sind Änderungen des Pflanzdatums, um Hitzestress später in der Saison zu vermeiden, falls machbar, Bewässerung, die Umstellung auf hitzetolerantere Pflanzen oder die Züchtung auf Hitzetoleranz.
Wie beeinflusst der Klimawandel das Leben auf der Erde?
„Bis zum Ende des Jahrhunderts könnten 45 bis 70 Prozent der globalen Landfläche von Klimabedingungen betroffen sein, bei denen der Mensch ohne technische Hilfen, wie etwa Klimaanlagen, nicht mehr überleben kann. Derzeit sind es 12 Prozent“, sagt Prof. Asseng. Das bedeutet, dass in Zukunft 44 bis 75 Prozent der menschlichen Bevölkerung chronisch durch Hitze gestresst sein werden. Eine ähnliche Zunahme der Hitzebelastung ist für Vieh, Geflügel, Nutzpflanzen und andere lebende Organismen zu erwarten.
„Eine genetische Anpassung an das geänderte Klima benötigt oft viele Generationen und die verfügbare Zeit ist für viele höhere Lebensformen zu kurz. Wenn die derzeitigen Klimaentwicklungen so weitergehen, könnten viele Lebewesen vom Temperaturwandel schwer betroffen sein oder sogar ganz von der Erde verschwinden“, resümiert Prof. Asseng.
Publikationen:
Asseng, S., Spänkuch, D., Hernandez-Ochoa, I. M. & J. Laporta (2021)
The upper temperature thresholds of life. In: The Lancet Planetary Health. Volume 5, Issue 6, June 2021, Pages e378-e385. DOI: https://doi.org/10.1016/S2542-5196(21)00079-6
Mehr Informationen:
Seit Februar 2021 ist Prof. Senthold Asseng der neue Direktor des Hans Eisenmann-Forums für Agrarwissenschaften der TUM (HEF). Er leitet zudem seit Dezember 2020 den Lehrstuhl für Digital Agriculture an der TUM School of Life Sciences. Seine Forschungsinteressen liegen in der Entwicklung mathematischer Modellierung und Computersimulation von landwirtschaftlichen und biologischen Systemen im Zusammenhang mit Klimavariabilität, Klimawandel und Nachhaltigkeit. Dabei sollen Anpassungsstrategien zur Verbesserung der Ernährungssicherheit in nachhaltigen landwirtschaftlichen Systemen im Kontext des Klimawandels untersucht werden.
Diese Studie wurde vom CGIAR-Forschungsprogramm zu Weizen-Agrar-Lebensmittel-Systemen (CRP WHEAT) und der CGIAR-Plattform für Big Data in der Landwirtschaft, der Bill and Melinda Gates Stiftung, der Weltbank und der mexikanischen Regierung durch das Projekt "Sustainable Modernization of Traditional Agriculture" (MasAgro) unterstützt.
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