Kohlendioxidentzug durch Aufforstung

Abb. 1: Totholz im Laubwald

Terrestrischer Kohlendioxidentzug

Terrestrischer Kohlendioxidentzug (engl. Carbon Dioxide Removal (CDR)) zielt darauf ab, die Ursachen des Klimawandels zu vermindern. Die Idee ist es, die natürliche Aufnahme und Bindung von atmosphärischem CO₂ durch die Biospähre zu erhöhen, zum Beispiel durch großflächige Aufforstung und Biomassenplantagen. Der Begriff Aufforstung umfasst hier 1. die Wiederbepflanzung ehemals entwaldeter Flächen (Reforestation) sowie 2. die Ansiedelung von Wäldern oder Plantagen dort, wo für mindestens 50 Jahre kein natürlicher Waldbewuchs stattgefunden hat (Afforestation) . In Betracht gezogen werden vier Arten der Aufforstung: natürlicher Wald, bewirtschafteter Wald, Bioenergiebäume und Bioenergiegräser. Je nach Region (z.B. boreale, mittlere oder tropische Breiten) und nach Bewirtschaftung (z.B. jährliche Ernte oder längere Wachstumszyklen) bringen diese Arten Vorteile und Nachteile mit sich. Es wird zum Beispiel angenommen, dass Bioenergiegräser bei jährlicher Ernte generell am produktivsten sind, d.h. effektiver in der CO₂-Aufnahme sind, und natürliche Wälder mit dem Alter ihre Produktivität und damit die Kohlenstoffaufnahme stark abbauen. Hingegen sind alte Wälder große Kohlenstoffspeicher und ihre Ersetzung durch Bioenergiegräser ist damit nicht sinnvoll.

Das Nettopotential ergibt sich dann aus der Menge Kohlenstoff, die die Pflanzen photosynthetisch bis zu ihrer Ernte gebunden haben, minus den Emissionen, die die Pflanze selbst, die Landnutzungsänderung zuvor, der Ernteprozess, der Transport und die Umwandlung zu Folgeprodukten hervorrufen (Life Cycle Assessment). Wie im Abschnitt über Landwirtschaft als Klimafaktor erwähnt, hängt die wirkliche Menge des gespeicherten CO₂ erheblich davon ab, wie die pflanzliche Biomasse weiterverarbeitet wird. Betrachtet werden zum Beispiel die Nutzung von Holz als Baumaterial, die Umwandlung in Biokohle, das Vergraben von Kohlenstoff und die Umwandlung in Bioenergieträger zusammen mit der anschließenden Speicherung der entstehenden Emissionen (Carbon Capture and Storage - CCS). Daraus ergibt sich letztendlich das Substitutionspotential von fossilen Brennstoffen, welches die Emissions- und Energiebilanzen von Bioenergie den fossilen Brennstoffen gegenüberstellt.

Risiken und Nebenwirkungen

Effektives terrestrisches CDR kann nur durch großskalige Aufforstungsprogramme erlangt werden. Doch die aufgeforsteten Gebiete sind nicht notwendiger Weise naturnah. Neben den biogeophysikalischen Effekten der Aufforstung (u.a. Änderung der Albedo, den Feuchte- und latenten Wärmeflüssen und der Grenzschichtdynamik - Abb. 2), werden auch die biogeochemischen Kreisläufe deutlich beeinflusst (siehe Biosphäre im Klimasystem). Die Anpflanzung von Bäumen oder Bioenergiepflanzen im großskaligen Rahmen benötigt den massiven Einsatz von Dünger und Wasserressourcen, um die Plantagen effektiv und ertragreich zu bewirtschaften. Ob dies in allen Regionen umsetzbar und erwünscht ist, bleibt zu untersuchen, denn damit erhöhen sich u.a. auch die Methan- und Lachgasemissionen (Landwirtschaft als Klimafaktor), welche beides starke Treibhausgase sind. Aufforstung kann sich in einigen Fällen auch positiv auf die Bodenqualität auswirken und durch Kohlenstoffeinlagerung und Wurzelwerk zur Wasserspeicherung beitragen und Bodenerosion verringern.

Insektenplagen, Feuer und Krankheitsbefall können die Plantagen erheblich schädigen. Der Einsatz von Pestiziden und die Vermeidung von natürlichen Feuerereignissen kann jedoch auch weitere negative Auswirkungen auf das Ökosystem ausüben. Feuer dient nicht nur dazu, das trockene Brennmaterial in Wäldern zu vermindern, sondern auch dazu, den Boden mit verbrannter Biomasse zu düngen und schädliche Insekten zu vernichten.

Der Einfluss von großräumiger Aufforstung auf die Biodiversität ist unsicher. Je nach Größe des zusammenhängenden Gebietes und der Bewirtschaftungsstrategie kann diese verringert oder aber bewusst bewahrt und als positiver Faktor hinzugezogen werden, um z.B. durch bestimmte Tierarten den Insektenbefall in der Anbauzone zu vermindern.

Bei einer drastischen Ausdehnung der CDR-Flächen bleiben Konsequenzen für die Landwirtschaft nicht ausgeschlossen. Denn trotz allen Klimaschutzbemühungen muss der steigende Nahrungsmittelbedarf einer wachsenden Weltbevölkerung sichergestellt werden. Die Intensivierung der Landwirtschaft auf den begrenzt zur Verfügung stehenden Flächen ist daher unausweichlich und steht in Konkurrenz mit den CDR-Flächen. Wie diese industrialisierte Landwirtschaft dann global ausgeübt und zudem noch möglichst nachhaltig praktiziert werden kann, ist eine der großen Fragen der Wissenschaft.

Auf alle Komponenten des terrestrischen CDR (Aufforstung, Biogeochemie, Wasserkreislauf, Biodiversität und Landwirtschaft) wirken letztendlich auch noch die Folgen der Klimaerwärmung. Diese können in verschiedenen Regionen positive oder negative Auswirkungen auf die Plantagen und die verbleibenden Flächen haben. So wird angenommen, dass die Erwärmung zu einer höheren Produktivität der Pflanzenwelt in den hohen Breiten, sowie zu einer Verschiebung der Baumgrenze nach Norden führen wird. In den niederen Breiten und Tropen hingegen können Trockenheit und Hitzeperioden die Produktivität erheblich einschränken. Die steigenden CO₂-Konzentrationen wirken zudem als Dünger für die Vegetation. Uneinigkeit besteht noch darüber, wie groß dieser Effekt wirklich ist. In Feldexperimenten wie den „Free Air CO₂-Enrichment projects“ untersuchen Forscher in lokalen Studien die Langzeitwirkung erhöhter CO₂-Konzentrationen auf die Pflanzen und deren Limitierungen (z.B. durch begrenzte Stickstoffverfügbarkeit).

Abb. 2: Klimawirkungen von Aufforstung und Wiederaufforstung: Durch die Aufnahme von CO2 wird das globale Klima abgekühlt, ebenso durch eine erhöhte Verdunstung, die sich in den kalten hohen Breiten allerdings nur wenig auswirkt. Die dunkle Fläche von Wäldern verringert die Reflexion von Sonnenstrahlen und bewirkt damit eine Erwärmung, besonders in den hohen Breiten.

Weiterhin müssen die Rückkopplungen der Auswirkungen von Aufforstung auf das Klima untersucht werden (Abb. 2). Denn die biogeophysikalischen Rückkopplungen verändern das Klima regional und z.T. auch überregional und beeinflussen so wiederum die Produktivität der Pflanzen. Wie in den Beiträgen zur Abholzung in den hohen, mittleren und tropischen Breiten beschrieben, haben die durch Abholzung veränderten Albedowerte, latenten Wärme- und Feuchteflüsse unterschiedliche Auswirkungen. Führt man demnach entwaldete Gebiete in ihre Ursprungsform zurück oder forstet neue Gebiete auf, müssen die regionalen Klimabedingungen berücksichtigt werden. Es wird angenommen, dass in den Tropen erhöhte Verdunstungsraten nach Wiederbewaldung der Getreide- und Weideflächen zu einer Abkühlung führen und die Feuchteflüsse den regionalen Niederschlag erhöhen können. In den mittleren Breiten hängt der letztendliche Effekt davon ab, ob eine saisonale Schneebedeckung auftritt. Ist dies der Fall, führt Aufforstung womöglich zu einer höheren lokalen biogeophysikalischen Erwärmung als die durch die CO₂-Aufnahme der gewonnen Vegetation erlangte biogeochemische Abkühlung erreicht werden könnte. Eine Studie ergab zudem, dass die Entwaldung in den vergangenen Jahrhunderten vor allem dort stattfand, wo wenig Schneebedeckung auftrat und die Böden fruchtbar waren . Demnach ist eine Aufforstung nur in diesen ausgewählten Regionen sinnvoll und von einer Aufforstung über mehrere Breitengrade abzuraten. In den hohen Breiten ist der Snow-Masking-Effekt noch schwerwiegender, denn Bewaldung würde die dauerhafte Schneebedeckung verringern und die Albedo erheblich herabsetzen.

Simulationen und Landnutzungsszenarien

Wo kann terrestrisches CDR stattfinden und was sind die Folgen?
Durch Aufforstung wird also nicht nur die Charakteristik der Landschaft durch die erneute Landnutzungsänderung geprägt, sondern vielmehr die Funktionsweise des Ökosystems Wald erheblich verändert. Um diese Auswirkungen abschätzen zu können, werden aufwendige Computersimulation erstellt, die bestimmten Landnutzungsszenarien in die Zukunft folgen. Hier stellt sich zuerst die Frage: Wo können diese großskaligen Aufforstungsgebiete liegen? Land- und Wasserresourcen sind knapp und sehr begehrt.

Die neuen RCP-Szenarien folgen detaillierten Annahmen über u.a. Bevölkerungswachstum, Energieverbrauch und Landnutzungsmuster zwischen 2006 und 2100. In RCP4.5 werden zum Beispiel Landwirtschaftsflächen durch Produktivitätssteigerungen aufgegeben, welche dann zur Aufforstung genutzt werden können.

Weiterhin werden neue idealisierte Szenarien entwickelt, um ein großes Spektrum an möglichen zukünftigen Landnutzungsformen und -mustern abzudecken, welche im Rahmen des Climate Engineerings eingesetzt werden könnten. Diese werden zum Beispiel mit dem Dynamischen Vegetationsmodell LPJmL (Lund-Potsdam-Jena managed Land Dynamic Global Vegetation and Water Balance Model) simuliert. Dieses Modell kann nicht nur die natürliche Vegetation, sondern auch Landnutzung (u.a. Landwirtschaft und Bioenergiepflanzenanbau) in Abhängigkeit von Wasser- und Klimakonditionen berechnen. Die zugrunde liegenden Annahmen können dabei völlig utopisch sein (z.B. unbegrenzte Bewässerung und Düngung oder die Wiederbewaldung sämtlicher historischer Waldflächen), um die maximalen Potentiale der terrestrischen Biomasseproduktion am Ende des 21sten Jahrhunderts bestimmen zu können. Da wir von CDR als eine „Notmaßnahme“ im Rahmen des Klimaengineerings absehen, werden alle Aufforstungsmuster nur zwischen den Jahren 2040 und 2060 graduell eingeführt und dann bis 2100 bewirtschaftet.

Diese Szenarien werden dann durch spezielle Einschränkungen begrenzt. Diese Begrenzungen berücksichtigen unter anderem die Sicherstellung der Ernährung der Weltbevölkerung, den Biodiversitäts- und Ökosystemschutz, die Vermeidung negativer biogeophysikalischer Effekte (z.B. die Herabsetzung der borealen Albedo, Taiga-Tundra-Feedback, siehe Abb. 2), sowie länderspezifische Bestimmungen (z.B. durch das wirtschaftliche System und technischen Fortschritt). Dieser Szenarienraum erlaubt es dann, möglichst viele Facetten der Mensch-Ökosystem-Interaktionen und Transitionen zu beleuchten, um die Auswirkungen auf das Erdsystem verstehen zu können (sie auch [Rockström 2009]). Die Wechselwirkungen mit dem Klima, die durch die Aufforstung selbst (u.a. durch die Änderung der Albedo und Feuchteflüsse, sowie Landnutzungsemissionen) und das aufgenommene CO₂ entstehen, werden zudem mit komplexen globalen Klimamodellen simuliert und ausgewertet. (Max Planck Institute Earth System Model, MPI-ESM.

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Kontakt: Dieter Kasang