Landnutzung

Bedeckung der Landoberfläche nach Satellitendaten der NASA (November 2000 bis Oktober 2001). Farbschlüssel: s. Abb. unten

Farbschlüssel zur Abb. oben

Einleitung

Unter Landnutzung versteht man jegliche Art der Inanspruchnahme von Böden und Landflächen (Teilen der festen Erdoberfläche) durch den Menschen. Das muss nicht unbedingt heißen, dass dort gar keine oder andere Pflanzen wachsen als es dem natürlichen Zustand entspräche; auch natürliche Ökosysteme werden fast immer bewirtschaftet; so wird beispielsweise durch das Fällen von Bäumen oder das Mähen von Wiesen Biomasse entfernt. Der Begriff der Landnutzung bzw. Landnutzungsänderung schließt folglich nicht nur die Änderung der Landbedeckung ein, sondern auch die Art und Weise, wie mit dieser Landbedeckung verfahren wird, z.B. Management-Praktiken, Düngung, Feuer-Vermeidung und die Art des Pflügens. Da solche Effekte in ihrer Wirkung extrem schwer abschätzbar sind, beziehen sich klimatologische Untersuchungen meist nur auf die Art der Landbedeckung und ihren Einfluss auf das Klima.

Das bodennahe Klima wird entscheidend von den Eigenschaften der Oberfläche geprägt, denn dort werden Energie, Wasser, Spurengase und Impuls (der die Bewegung der Luft beschreibt) ausgetauscht. Daher verwundert es nicht, dass Änderungen in der Landbedeckung oder Bewirtschaftung einer Region einen Einfluss auf das dortige Klima und die Stoffkreisläufe haben können. Im Allgemeinen wirken solche Eingriffe unmittelbar und bleiben auf das entsprechende Gebiet beschränkt (lokal bzw. regional). So wird z.B. bei der Ersetzung eines Waldgebietes durch eine hellere Ackerfläche mehr Sonnenstrahlung reflektiert. Ebenso wird dadurch der Niederschlag verändert, da Ackerpflanzen weniger Wasser speichern als Bäume. Global haben solche Effekte eine geringe Wirkung. Das ist jedoch anders bei der Freisetzung von Treibhausgasen, insbesondere von Kohlendioxid, durch Waldrodung, die sich auf der ganzen Welt verteilen und daher global wirken.

Die Beeinflussung von Energie-, Wasser- und Impulsaustausch durch solche Landbedeckungsänderungen werden als so genannte biogeophysikalische Effekte zusammengefasst (siehe auch Biosphäre im Klimasystem). Man unterscheidet sie mithin von biogeochemischen Effekten, die den Kohlenstoffkreislauf und somit den Treibhauseffekt betreffen.

Zeitlicher Wandel der Landnutzung

Zwei Filme auf dem DKRZ-Server zeigen die Ausbreitung von landwirtschaftlich genutzter Fläche für die Zeiträume 800-2100 und 1860-2100.

Die Umwandlung der Landoberfläche ist wohl der erste nennenswerte Einfluss, den der Mensch auf das Klima hatte, wenn auch lokal begrenzt. Insbesondere die intensive Rodung von Wäldern und die Umwandlung in Weide- oder Ackerland kann so durch eine erhöhte Albedo lokal zu einer Reflektionsleistung von –5 W/m² führen, vor allem über den landwirtschaftlichen Flächen Nordamerikas und Eurasiens. Außerdem wurden Wälder auch wegen des großen Bauholzbedarfs für Häuser und Schiffe gerodet. Diese Art der Beeinflussung des Klimas war vor Beginn der Industrialisierung deutlich entscheidender als der Ausstoß von Treibhausgasen, wirkte aber nicht global. Bereits 1750 waren etwa 6-7% der Landoberfläche landwirtschaftlich genutzt, insbesondere in Europa, Indien und China. Etwa 11 Mio km² Wald fielen über die letzten 300 Jahre der Rodung zum Opfer. In den letzten 50 Jahren gab es kaum noch Änderungen der globalen landwirtschaftlichen Fläche. In mittleren und hohen Breiten sind sogar wieder leichte Zugewinne der Waldfläche zu verzeichnen. Allerdings schreitet die Entwaldung in den Tropen so schnell voran wie nie, unter anderem mit drastischen Folgen für das lokale Klima.

Die vom Menschen durchgeführten historischen Landnutzungsänderungen hatten etliche physikalische Folgen auf das Klima und führten der Atmosphäre insgesamt etwa ein Drittel des bisher insgesamt emittierten Kohlendioxids zu. Allerdings erfolgen diese Emissionen über viele Jahrhunderte hinweg und konnten so vor allem vom Ozean wieder kompensiert werden. Seitdem durch die Industrialisierung der Kohlendioxidgehalt der Luft gestiegen ist, nehmen auch die Pflanzen an Land zusätzlich CO₂ auf, vor allem in den Tropen. Bisher ist noch immer nicht geklärt, ob die historischen Landnutzungsänderungen die Erde erwärmt oder abgekühlt haben. Dies liegt an den zahlreichen Wechselwirkungen, die letztlich alle Eigenschaften des Klimas beinhalten. Einen umfassenderen Überblick über die „biogeophysikalischen“ Auswirkungen von Waldrodungen gibt der nächste Abschnitt.

Mögliche Klimafolgen durch Entwaldung

Die biogeophysikalischen Wechselwirkungen zwischen Vegetation und Atmosphäre bestehen im Austausch von Energie, Impuls und Wasser. Diese Austauschprozesse sind jedoch nicht unabhängig voneinander, so dass eine Änderung der Vegetationsbedeckung im Allgemeinen eine Kette weiterer Folgen nach sich zieht. Das sich neu einstellende Klima ist ein Resultat dieser vielen Beziehungen und das Ergebnis kann deutlich von der Region und von den Eigenschaften der neuen Vegetation abhängen. Die drei physikalischen Schlüsselgrößen, die bei Abholzung geändert werden, sind die Albedo der Erdoberfläche, ihre Rauhigkeit, sowie die Evapotranspiration.

Albedo

Im Allgemeinen wird davon ausgegangen, dass eine Entwaldung generell eine Steigerung der Albedo zur Folge hat, erstens weil Wälder sehr dunkle Oberflächen darstellen und zweitens weil sie geometrisch kompliziert sind, so dass das Licht mehrfach reflektiert wird und dabei ein größerer Teil geschluckt wird. Allerdings hängt die Albedo der Erdoberfläche von vielen Eigenschaften der Böden und der Vegetation ab, insbesondere von der Blattfläche, Blattorientierung, Lichtdurchlässigkeit und Reflexionsvermögen der Blätter, Bodenstruktur und -feuchte; bei Schneebedeckung von Temperatur und Alter des Schnees, und sogar vom Sonnenstand und dem Anteil des gestreuten Lichts. Daraus ist ersichtlich, dass das Wetter selbst entscheidenden Einfluss auf die Albedo hat und nicht nur umgekehrt. Beispielsweise verdorren während einer Dürreperiode viele Blätter, was die Albedo erhöht, so dass weniger Sonnenlicht aufgenommen wird.

Eine Erhöhung der Albedo, α, hat einen direkten Einfluss auf die Strahlungsbilanz, da die aufgenommene Energie an der Oberfläche reduziert wird.

kurzwellig↓ + langwellig↓ – langwellig↑ = Nettostrahlung

Die am Boden einfallende langwellige Strahlung (der zweite Teil der Bilanz) stammt von den Wolken und Treibhausgasen, vor allem Wasserdampf. Die Nettostrahlung ist ein Energieüberschuss, der in Form von sensibler und latenter Wärme in die Atmosphäre abtransportiert werden muss. Ein sensibler (fühlbarer) Wärmefluss bedeutet, dass Wärme über Luftwirbel vom Boden in die Atmosphäre transportiert wird. Ein latenter Wärmefluss ist dagegen der Transport von Wasserdampf über diese Wirbel, der seine Wärme erst später freigibt, wenn er wieder zu flüssigem Wasser kondensiert.

Nettostrahlung = sensibler + latenter Wärmefluss

Erhöht sich also die Albedo, so sinkt die Temperatur, weil plötzlich weniger solare Strahlung absorbiert wird. Aus der geringeren Nettostrahlung folgt eindeutig, dass die beiden Wärmeflüsse zusammengenommen abnehmen müssen. Wie genau die Aufteilung unter den beiden ist, ist im Einzelfall kompliziert und auch für komplizierte Klimamodelle eine Herausforderung. Leider ergeben sich auch aus dieser Aufteilung wichtige Konsequenzen und weitere Rückkopplungen. Hier nur ein Beispiel: Steigt der sensible Wärmefluss in die untere Atmosphärenschicht (Grenzschicht), so wächst diese an und es entstehen turbulente Luftwirbel, was das Einmischen meist trockenerer Luft von oben zur Folge hat. Es wird also trockener und die Verdunstung, die bei Trockenheit angeregt wird, und damit der latente Wärmefluss werden wieder stärker.

Außerdem hängt das Entstehen von Gewittern, die vor allem in den Tropen den Niederschlag bringen, stark von dem Verhältnis zwischen sensiblem und latentem Wärmestrom ab.

Wasserbilanz

Zusätzlich verändert sich aber auch die Wasserbilanz: Ein Herabsetzen der Oberflächenrauhigkeit und -bedeckung reduziert den Anteil des Niederschlags, der von der Vegetation abgefangen wird. Die Verdunstung von den Oberflächen der Vegetation sinkt also, andererseits wird sie am Boden selbst erleichtert. Die Verdunstung (Evaporation) wird meist mit der Transpiration der Pflanzen als Evapotranspiration zusammengefasst. Transpiration ist die Verdampfung von Wasser aus den Stomata (Spaltöffnungen) der Pflanzen, das über die Wurzeln aus dem Bodenreservoir entnommen wurde. Ohne die tief reichenden Wurzeln der Bäume kann ein großer Teil der Bodenfeuchte daher nicht mehr verdunstet werden.

Der aus der Evapotranspiration resultierende latente Wärmefluss bewirkt eine Verknüpfung der Wasserbilanz mit der Oberflächenenergiebilanz: Steht weniger Wasser für die Verdunstung zur Verfügung, so gibt es auch weniger Verdunstungskälte und die Temperatur steigt.

Aufgrund der Funktionsweise der Spaltöffnungen in den Blättern (Stomata) kann aber auch bei Bewaldung die Transpiration stark eingeschränkt werden: Bei Wassermangel ziehen die Spaltöffnungen sich zusammen, um ein Austrocknen der Pflanze zu verhindern. So gelangt weniger Wasser nach draußen, was die trockenen Bedingungen noch weiter stützt. Zusätzlich hat auch der CO₂-Gehalt einen Einfluss auf die Transpiration: Bei mehr CO₂ in der Luft kann der Gasaustausch durch die Stomata effizienter erfolgen, denn die Pflanze braucht nicht mehr so viel Luft, um eine bestimmte Menge Kohlendioxid aufzunehmen. Somit verliert sie auch weniger Wasser. Jedes einzelne Blatt erzeugt also weniger Verdunstungskälte. Allerdings kann eine höhere CO₂-Konzentration auch dazu führen, dass mehr und üppigere Pflanzen wachsen, denn sie haben ja mehr Nahrung - die Gesamtfläche aller Blätter auf der Erde kann also steigen. Das Mehr an Blattfläche kann somit das Weniger an Transpiration ausgleichen, so dass die Temperatur nicht unbedingt zusätzlich steigen muss. Die Rückkopplungen, die die Beeinflussung der Vegetationsdichte und der Oberflächen betreffen, nennt man strukturelle Rückkopplungen, jene, die Beeinflussung des Stoffwechsels eines einzelnen Blattes betreffen, nennt man physiologische Rückkopplungen.

Die Störung des Wasserkreislaufs zieht auch Änderungen der anderen Teile in der obigen Energiebilanz nach sich: Aufgrund des über die Evapotranspiration geänderten Wasserdampfgehalts und möglicher Änderungen der Bewölkung gibt es Rückwirkungen auf die einfallende solare Strahlung und die langwellige Gegenstrahlung, die bei einem Rückgang des Wasserdampfgehalts abnimmt. Gleichzeitig hängt die terrestrische Ausstrahlung stark von der Temperatur und etwas von der Emissivität (Strahlungsvermögen) der Oberfläche ab. Die optischen Eigenschaften der Oberfläche (Albedo und Emissivität) sind wiederum abhängig von der Bodenfeuchte und Schneebedeckung, was weitere Rückwirkungen zur Folge haben kann.

Wegen der verminderten Evapotranspiration steht der Atmosphäre zunächst weniger Wasser zur Verfügung, was einen senkenden Einfluss auf den Niederschlag hat. Dies gilt aber nur, wenn nicht durch Zirkulationsänderungen in der Atmosphäre mehr Wasser als bisher in die entsprechende Region geführt wird. Dieses Zusammenführen von Wasser über einem Punkt heißt Feuchtekonvergenz und entspricht einem Ungleichgewicht zwischen Niederschlag und Evapotranspiration:

Feuchtekonvergenz = Niederschlag - Evapotranspiration

Dies ist eine einfache Bilanz für die Atmosphäre. Was aber geschieht mit dem überschüssigen Wasser am Boden? Natürlich wird dieses Wasser nicht immer dort bleiben, sondern in Bächen und Flüssen an andere Orte fließen. Ein Teil wird aber vorübergehend im Boden gespeichert, so dass dieser auch an sonnigen Tagen feucht ist. (Man erinnere sich z.B. an das Buddeln im Sandkasten. Der Sand am Boden ist immer feuchter und daher dunkler und stabiler.)

Weniger Wurzelwerk reduziert allerdings die Speicherkapazität des Bodens für Wasser und kann so zu stärkerem und rascherem Abfluss führen. Die Folgen von Entwaldung für den Wasserkreislauf kann man regelmäßig in Form von Flutkatastrophen beobachten, die zum Teil dadurch entstehen, dass Wasser bei starkem Regen unmittelbar in die Täler abläuft, statt von den Baumwurzeln zurückgehalten zu werden.

Oberflächenrauhigkeit

Die dritte oben genannte Einflussgröße, die Oberflächenrauhigkeit, hat einen Einfluss darauf, wie effizient Wärme zwischen Boden und der Atmosphäre ausgetauscht wird. Je größer die Rauhigkeit, desto mehr Energie kann auch über die Luftwirbel vom Boden abtransportiert werden. Bei einer geringeren Rauhigkeit (also z.B. einer Weide statt einem Wald) kann daher nicht soviel Energie abgeführt werden, wie durch die Strahlungsbilanz ursprünglich zur Verfügung steht. Daher wird die Erdoberfläche wärmer, bis sie genug langwellige Strahlung abgibt und die Bilanz zwischen Energiegewinn und -verlust wieder ausgeglichen ist. Für Oberflächen, die nicht einheitlich, z.B. mit wenigen Bäumen und dazwischen mit Gras bewachsen sind, ist die Beurteilung nicht immer so einfach: gegenüber einem Wald mit geschlossenen Baumkronen ist die Rauhigkeit höher, weil sich zwischen den frei stehenden Bäumen gut Luftwirbel bilden können, die viel Wärme transportieren. Wie sich die Rauhigkeit ändert, wenn Bäume abgeholzt werden, ist also im Einzelfall nicht leicht zu beurteilen.

Ein weiterer Einfluss der Rauhigkeit ist die Änderung des Windes nahe dem Boden: Da dieser bei einer glatten Oberfläche wenig gebremst wird, kann er schneller werden und so einen noch besseren Energietransport bewirken (denn durch schnelleren Wind gibt es auch stärkere Luftwirbel). Dieser Effekt wirkt dem vorigen also entgegen: er wirkt kühlend bei geringer Rauhigkeit, statt wärmend. Zusätzlich kann auch die Windrichtung betroffen sein, da die Corioliskraft auf die Bremsung des Windes reagiert und das Gleichgewicht zur Kraft des Luftdruckunterschieds nicht mehr aufrecht erhalten werden kann. Betroffen ist die lokale Zirkulation der Luft, was wiederum Auswirkungen auf den Feuchtetransport, den Niederschlag und schließlich die Evapotranspiration und die Energiebilanz haben kann.

Globale Effekte

Zusätzlich zu lokalen Klimaänderungen ist es auch möglich, dass es zu einer Beeinflussung von Gebieten kommt, die außerhalb des von Deforestation (Abholzung) betroffenen Bereichs liegen. Außer durch den direkten Transport von Luftmassen geschieht dies über Änderungen der regionalen oder gar globalen Zirkulation. Solche Zirkulationen werden durch Temperaturunterschiede erzeugt, durch den Wasserkreislauf und Freisetzung latenter Wärme verstärkt und durch den Einfluss der Reibung am Boden beeinflusst, so dass es nicht verwundert, dass Landnutzungsänderungen die Zirkulation auf der Erde nicht unverändert lassen.

Von besonderer Bedeutung für die globalen Effekte durch die Entwaldung sind die Emissionen von Treibhausgasen, die als biogeochemische Effekte bezeichnet werden. Durch Waldvernichtung gehen Senken von Kohlendioxid verloren, das in die Atmosphäre emittiert wird, sich relativ schnell gleichmäßig um den Globus verteilt und die Atmosphäre erwärmt, und zwar durch die Schnee-/Eis-Albedo-Rückkopplung besonders in den mittleren und hohen Breiten der Nordhalbkugel. Eine weitere Folge der Landnutzungsänderungen sind Methanemissionen durch die Ausbreitung des Nassreisanbaus in Asien. Auch Methan ist ein wichtiges langlebiges Treibhausgs, das sich global in der Atmosphäre ausbreitet. Aktuell besteht weitgehende Übereinstimmung darüber, dass die biogeochemischen die biogeophysikalischen Effekte global übertreffen.

• Vgl.: Wann begann das Anthropozän?

Bewertung und rechtliche Regulierung

Physikalischen Einflussgrößen der Waldbedeckung und ihre wichtigsten Rückkopplungen. Ein Pluszeichen neben einem Pfeil von A nach B bedeutet eine Verstärkung des Prozesses B durch eine fiktive Verstärkung von A, ein Minuszeichen eine Schwächung (die Vorzeichen geben also nicht den letztendlichen Einfluss der Abholzung wieder). Beide Pfade, verminderte Evapotranspiration und Rauhigkeit (rot) und Albedoerhöhung (blau), sind überall gültig. In borealen Wäldern überwiegt jedoch der blaue, kühlende Pfad, in tropischen Wäldern der rote, erwärmende Pfad.

Es zeigt sich, dass an verschiedenen Orten der Erde das Abholzen von Wald das Klima in einer völlig anderen Weise ändern kann, weil das Zusammenspiel der physikalischen Effekte sich verschiebt (siehe dazu die Hauptartikel zu Deforestation in Tropen, mittleren und hohen Breiten). Außerdem kommt es darauf an, wie das räumliche Muster dieser Entwaldung aussieht und welche Art der Landnutzung später dort betrieben wird (in den Tropen beispielsweise ist die Rinderzucht eine bedeutende Methanquelle).

Die Abkühlung über den Albedoeffekt (der blaue Zweig im Schaubild) ist im borealen Wald auch global und langfristig gemittelt so stark, dass die erwärmende Wirkung des beim Abholzen freigesetzten Kohlendioxids übertroffen wird. Das Pflanzen von Bäumen in diesen Regionen mindert also nicht den Klimawandel, sondern verstärkt und beschleunigt ihn noch! Vor diesem Hintergrund scheint es also widersinnig, dass politische Abkommen wie das Kyoto-Protokoll Ländern zugestehen, sich boreale Wälder als positiven Beitrag zum Klimaschutz anrechnen zu lassen. Eine Warnung vor vorschnellen Schlüssen ist hier aber wohl angebracht: Außer dem Speichern von Kohlenstoff haben Wälder eine ganze Reihe wichtiger Eigenschaften, von denen die Artenvielfalt, der Erholungswert, die Bereitstellung von Nahrung und Holz und die Regulierung des Wasserhaushalts nur einige wenige sind, so dass die Zerstörung von Wäldern zur Minderung des Klimawandels nicht als besonders angemessene Strategie erscheint.

In den Tropen ist der Einfluss der gesenkten Evapotranspiration (roter Zweig im Schaubild) lokal deutlich entscheidender als die Albedoänderung. Daher erwärmen sich die Tropen durch Abholzung. Außerhalb der von der Entwaldung betroffenen Gebiete führt der geringere Wasserdampfgehalt aber eventuell zu einer Abkühlung, die jedoch von der Erwärmung durch freigesetztes Kohlendioxid übertroffen wird. Eine Wiederaufforstung der Tropen hätte daher also durchaus einen kühlenden Einfluss auf das globale Klima, dessen Größe aber nicht gut bekannt ist.

Insgesamt muss aber bedacht werden, dass die globale Mitteltemperatur im Zusammenhang mit Landnutzung kein geeignetes Maß ist, um die Gefährlichkeit des Klimawandels und seine Auswirkungen auf das Leben der Menschen zu beurteilen. Die bislang entwaldeten Gebiete sind insgesamt groß, aber nicht zusammenhängend, sondern als Flickenteppich über den Globus verteilt. Es kann daher an jedem einzelnen Ort deutliche Klimaänderungen gegeben haben, die sich global gemittelt fast ausgleichen. Jeder Mensch erfährt jedoch für sich genommen die konkreten Auswirkungen des Klimawandels zu jedem Zeitpunkt an seinem Wohnort. Ein langzeitlicher und globaler Mittelwert einer Ursache wird die Gesamtheit der Auswirkungen also nicht beschreiben können.

Aufgrund der Klimarelevanz von Landnutzung, Landnutzungsänderungen und Landwirtschaft (sowie speziell der Entwaldung) wird aktuell versucht, diese Bereiche im globalen und europäischen Klimaschutzrecht stärker zu regulieren und in die Treibhausgas-Reduktionsbemühungen verstärkt einzubeziehen. Dies erweist sich wegen Mess- bzw. Erfassbarkeitsproblemen, Vollzugsproblemen, drohenden Verlagerungseffekten sowie der Frage nach der richtigen Baseline (als rechnerischer Bestand, von dem ausgehend Reduktionen bewirkt und dann auch nachgeprüft werden könnten) bisher als schwierig.

Weblinks

• OFFICE FOR CLIMATE EDUCATION (2021): IPCC-Sonderbericht „Klimawandel und Landsysteme“ – Zusammenfassung für Lehrende
• Julia Pongratz, Christian Reick (Max-Planck-Institut für Meteorologie, 15.02.2010): Landwirtschaft pflügt das Klima um (Memento vom 27.12.2017 im Internet Archiv.)

Lizenzhinweis

Kontakt: Dieter Kasang