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Abstract

Undernutrition continues to threaten millions of children's lives, especially in developing countries. Climate change is projected to exacerbate inequalities and negatively impact child undernutrition directly and indirectly. The present study assessed the association between undernutrition of children aged <5 years living in subsistence farming households and climate change, as proxied by rainfall variability in rural Burkina Faso. Both children’s nutrition and health are likely to worsen with climate change. Indeed, climate change may halt or reverse efforts made to date to reduce undernutrition. This research was structured around four objectives (i) socio-economic risk factors for and (ii) associations of diets with child undernutrition, and (iii) the link between rainfall variability and child undernutrition. Additionally, (iv) a validation study was conducted to compare weighed agricultural yield of small-scale household fields against freely available satellite imagery as an additional link to child undernutrition. These objectives were addressed through the use of a variety of study instruments and statistical approaches requiring the involvement of outside domain experts. The interdisciplinary nature of this research combining health, diet and climate made the analyses and findings unique in its current form. Data was analyzed from an open dynamic cohort of initially 470 children between 7 and 60 months contributing to 1,439 person-years during three years of follow-up. The study design accounted for five local weather stations located in the Nouna Health and Demographic Surveillance System (HDSS) area to investigate the associations on different geographical- and time-scales. The following findings were made: First, undernutrition of children aged <5 years was found to remain a serious problem in the study area. In 2019, 19 % of the children in this study were stunted (chronic undernutrition) and 5 % were wasted (acute undernutrition). These children were found highly vulnerable to demographic and socio-economic factors including disease episodes and ethnical background, but also location, i.e. the geographical cluster they lived in. Second, dietary diversity was low in the study population. 92 % of the children did not reach the internationally recommend minimum dietary diversity of 5 or more food groups over the previous 24 hours. They commonly consumed sorghum, rice, Vitamin-A rich leaves, and oils and fats during the data collection period (the rainy season). The consumed foods were found to differ significantly between study clusters, but were undistinguishable between boys and girls. Based on a 7-day dietary recall, dietary patterns were identified through principal component analysis (PCA), which yielded three patterns of foods commonly consumed together: (i) market-based (pasta, eggs, poultry, sweets), legume-based (African locust bean, oils and fats, leaves, peanuts) and vegetable-based (okra, tomatoes, eggplant). Children, who followed the market- or legume-based diet were found less likely to be stunted, while children, who followed the vegetable-based diet had a lower risk for wasting. Third, the link between child undernutrition with rainfall variability was investigated through (i) direct associations of single rainfall variability indicators, and (ii) a hypothesis-driven approach by which the three dietary patterns (market-, legume- and vegetable-based diets) interacted with rainfall and child undernutrition. In total, 15 individual rainfall variability indicators were constructed for four time periods to identify their association with child stunting and wasting: the years prior to and of birth, and the years prior to and of the nutrition survey. The direct associations revealed that child stunting was significantly associated with rainfall of the year before the survey and child wasting with the year of birth. In the hypothesis-driven approach, a “precipitation variability score (PVS)” was construct through Reduced Rank Regression (RRR), a method used in nutrition epidemiology. The PVS was based on a combination of the 15 rainfall indicators and their association with the three dietary patterns. In sum, when the PVS pattern and so rainfall variability increased, the children had a higher risk for stunting. Lastly, an agricultural validation study was conducted in 2018 comparing weighed samples of food crop field harvests with remotely sensed estimates (using Sentinel-2 satellites) as jointly developed with a cooperation partner. The model was validated with on the ground weighed harvest and trained for future harvest quantification based on remote sensing alone. It showed good fit to estimate agricultural yields at small-scale spatial resolution of individual household fields. Furthermore, it was able to predict yield of individual food crops before the actual harvest occurred. To conclude, the findings of the study contributed a range of different insights into the associations of climate variability and child undernutrition. This study encourages policy actions to integrate climate change in their national and local decisions to act on its direct and indirect impacts on child health. Possible adaptation actions include the awareness of climate-sensitive diseases in health care systems, the scale-up of vegetable gardens to enhance dietary diversity, and the monitoring and forecasting of crop yield through satellite remote sensing. Equally, adaptation measures should consider for different geographic and time impacts of climate change on child undernutrition.

Translation of abstract (German)

Unterernährung bedroht weiterhin das Leben von Millionen von Kindern, insbesondere in Entwicklungsländern. Der Klimawandel verschärft die Ungleichheiten, die sich direkt und indirekt negativ auf die Ernährung von Kindern auswirken. In der vorliegenden Studie wurde der Zusammenhang zwischen Unterernährung von Kindern unter 5 Jahren und dem Klimawandel untersucht, der durch die Variabilität der Niederschläge im ländlichen Burkina Faso betrachtet wird. Es ist wahrscheinlich, dass sich die Ernährung als auch die Gesundheit von Kindern mit dem Klimawandel verschlechtern werden. In der Tat gefährdet der Klimawandel die bisher unternommenen Anstrengungen zur Verringerung der Unterernährung. Diese Forschung untersuchte den Zusammenhang von Unterernährung mit (i) sozioökonomischen Risikofaktoren, (ii) Diäten und (iii) Niederschlagsvariabilität. Zusätzlich wurde (iv) eine Validierungsstudie durchgeführt, um gewogene Ernteerträgen mit frei verfügbaren Satellitenbildern als zusätzlichen Zusammenhang zur Unterernährung von Kindern zu vergleichen. Diese Ziele wurden durch den Einsatz verschiedener Studieninstrumente und statistischer Ansätze untersucht, die die Einbeziehung externer Fachleute erforderte. Der interdisziplinäre Charakter dieser Forschung, der Gesundheit, Ernährung und Klima kombinierte, macht die Analysen und Ergebnisse in ihrer gegenwärtigen Form einzigartig. Die Daten wurden aus einer offenen dynamischen Kohorte von anfänglich 470 Kindern zwischen 7 und 60 Monaten analysiert, die während drei Jahren Follow-up zu 1.439 Personenjahren beitrugen. Das Studiendesign umfasste fünf lokale Wetterstationen im Gebiet des Nouna Health and Demographic Surveillance System (HDSS), um die Assoziationen auf verschiedenen räumlichen und zeitlichen Skalen zu untersuchen. Folgende Feststellungen wurden gemacht: Erstens wurde festgestellt, dass die Unterernährung von Kindern unter 5 Jahren im Untersuchungsgebiet weiterhin ein ernstes Problem darstellt. 2019 waren 19 % der Kinder in dieser Studie chronisch und 5% akut unterernährt. Diese Kinder waren sehr anfällig für demografische und sozioökonomische Einflüsse, einschließlich Krankheitsepisoden und ethnischem Hintergrund, aber auch für den Wohnort, in dem sie lebten. Zweitens war die Ernährungsvielfalt in der Studienpopulation gering. 92% der Kinder haben in den letzten 24 Stunden die international empfohlene Mindestdiätvielfalt von 5 oder mehr Lebensmittelgruppen nicht erreicht. Während der Datenerfassungsperiode (der Regenzeit) konsumierten sie üblicherweise Sorghum, Reis, Blätter sowie Öle und Fette. Die konsumierten Lebensmittel unterschieden sich signifikant zwischen den Wohnregionen, waren jedoch zwischen Jungen und Mädchen nicht zu unterscheiden. Basierend auf einem 7-tägigen Ernährungsfragebogen wurden Ernährungsmuster durch eine Hauptkomponentenanalyse (PCA) identifiziert. Diese Muster kombinieren Lebensmittel, die üblicherweise zusammen konsumiert werden, welche sind: (i) eine marktbasiert (Nudeln, Eier, Geflügel, Süßigkeiten), eine hülsenfruchtbasierte (Afrikanische Johannisbrotbohne, Öle und Fette, Blätter, Erdnüsse) und eine pflanzenbasiert (Okra, Tomaten, Auberginen) Diät. Kinder, die die markt- oder hülsenfruchtbasierte Diät befolgten, waren weniger chronisch unterernährt, während Kinder, die die pflanzenbasierte Diät befolgten, ein geringeres Risiko für akute Unterernährung hatten. Drittens wurde der Zusammenhang zwischen Unterernährung und Niederschlagsvariabilität durch zwei verschiedene Ansätze untersucht: (i) direkte Assoziationen einzelner Indikatoren der Niederschlagsvariabilität und (ii) ein hypothesengetriebener Ansatz, mit dem die drei Ernährungsmuster (markt-, hülsenfrucht- und pflanzenbasierte Diäten) mit Regenfällen und Unterernährung von Kindern interagiert wurden. Insgesamt wurden 15 individuelle Indikatoren zur Niederschlagsvariabilität für vier Zeiträume erstellt, um ihren Zusammenhang mit chronischer und akuter Unterernährung von Kindern zu identifizieren: die Jahre vor und nach der Geburt sowie die Jahre vor und nach der Ernährungsumfrage. Die direkten Assoziationen ergaben, dass chronische Unterernährung signifikant mit dem Niederschlag des Jahres vor der Umfrage und akute Unterernährung mit dem des Geburtsjahres verbunden war. Bei dem hypothesengetriebenen Ansatz wurde ein „Niederschlagsvariabilitäts-Muster (PVS)“ durch Reduced Rank Regression (RRR) erstellt, eine Methode aus der Ernährungsepidemiologie. Das PVS-Muster basierte auf einer Kombination der 15 Niederschlagsindikatoren und ihrer Assoziation mit den drei Ernährungsmustern. In der Summe hatten die Kinder ein höheres Risiko für die chronische Unterernährung, wenn das PVS-Muster und damit die Niederschlagsvariabilität zunahmen. Zusätzlich wurde 2018 eine landwirtschaftliche Validierungsstudie durchgeführt. Hierfür wurden gewogene Feldfruchtproben mit fernerkundeten Schätzungen (Sentinel-2-Satellitenbildern) verglichen. Das Modell wurde mit vor Ort gewogener Ernte validiert, um in der Zukunft Erntequantifizierung allein anhand der Fernerkundung durchzuführen. Es zeigte eine gute Übereinstimmung der landwirtschaftlichen Erträge bei kleinräumiger Auflösung einzelner Haushaltsfelder. Darüber hinaus konnte der Ertrag einzelner Feldfrüchte vor der eigentlichen Ernte vorhergesagt werden. Zusammenfassend lieferten die Ergebnisse der Studie verschiedene Einblicke in die Zusammenhänge von Klimavariabilität und Unterernährung von Kindern. Diese Studie ermutigt zu politischen Maßnahmen, in denen der Klimawandel und seine direkten und indirekten Auswirkungen auf die Gesundheit von Kindern in Entscheidungen mit einfließen. Mögliche Anpassungsmaßnahmen umfassen das Bewusstsein für klimasensitive Krankheiten in Gesundheitssystemen, der Anbau von Gemüsegärten zur Verbesserung der Ernährungsvielfalt sowie die Erfassung und Vorhersage von Ernteerträgen durch Satellitenfernerkundung. Ebenso sollten Anpassungsmaßnahmen unterschiedliche räumliche und zeitliche Auswirkungen des Klimawandels auf die Unterernährung von Kindern berücksichtigen.