Wirkung von Kohlendioxid und Ozon

Wirkung von Kohlendioxid

CO₂-Düngungseffekt

Die Reaktion von C₃- und C₄-Pflanzen auf eine Erhöhung des CO₂-Gehalts der Atmosphäre

Die Zunahme der Kohlendioxid-Konzentration der Atmosphäre führt nicht nur zu höheren Temperaturen, sondern begünstigt in der Regel auch direkt das Pflanzenwachstum. Man bezeichnet diese Wirkung als "CO₂-Düngungseffekt". Die Wirkung ist allerdings vom Pflanzentyp abhängig. Die meisten Kulturpflanzen gehören entweder zu den C₃-Pflanzen wie Weizen, Reis, Kartoffeln und Sojabohnen oder zu den C₄-Pflanzen wie Mais, Hirse und Zuckerrohr. Bei C₃-Pflanzen, zu denen 90 % der Landpflanzen der Erde gehören, wirkt sich z.B. eine Verdoppelung des CO₂-Gehalts der Atmosphäre in einer Steigerung der Erträge um ca. 20 % aus. Bei C₄-Pflanzen, die über einen besonderen Mechanismus zur Speicherung von Kohlendioxid verfügen und damit das Angebot ohnehin besser nutzen, kommt es dagegen nur zu einer Steigerung von wenigen Prozent.

Wassernutzung und Blatttemperatur

Eine verstärkte Aufnahme von CO₂ hat außerdem auch Auswirkungen auf andere Prozesse des Pflanzenwachstums. Um Kohlendioxid aufnehmen zu können, muss die Pflanze die Spaltöffnungen in den Pflanzenblättern, die so genannten Stomata, öffnen. Dabei geht ihr aber durch Transpiration Wasser aus dem Inneren der Blätter verloren. Bei einer höheren CO₂-Konzentration ist die Aufnahme von CO₂ effektiver, die Stomata müssen nicht so lange geöffnete bleiben, und dadurch wird dann auch nicht so viel Wasser verdunstet. Ein höheres CO₂-Angebot führt also zu einer besseren Wassernutzung der Pflanze, die damit unempfindlicher gegenüber Trockenheit wird. Andererseits verringert sich die Verdunstungskühle auf der Blattoberfläche, was bei höheren Temperaturen ein Problem darstellen kann. Durch eine höhere Blatttemperatur steigen der Dampfdruck in den Zellen und damit dann auch wieder die Transpiration, und zwar um 5-6 % pro °C Erwärmung auf der Blattoberfläche. Die ursprüngliche Wasserersparnis durch ein höheres CO₂-Angebot würde damit teilweise wieder zunichte gemacht.

Übersicht über die Folgen einer höheren CO2-Konzentration der Atmosphäre auf Pflanzen

Die verbesserte Wassernutzung bei einem höheren CO₂-Angebot kann auch bei C₄-Pflanzen einen positiven Wachstumseffekt bedeuten. Eine höhere CO₂-Konzentration kommt jedoch primär den C₃-Pflanzen zugute, die hauptsächlich in den mittleren Breiten angesiedelt sind, während C₄-Pflanzen von Natur aus vor allem an trockenen und heißen Standorten vorkommen. Obwohl C₄-Pflanzen nur 3 % aller Pflanzenarten ausmachen, ist ihre Bedeutung nicht zu unterschätzen, da sie durch die bessere CO₂-Verwertung eine höhere Biomassenproduktion besitzen und für 20-25 % der globalen Primärproduktivität stehen.

Qualitative Wirkung

Neben der quantitativen hat die CO₂-Anreicherung auch eine qualitative Wirkung. Die höhere Aufnahme von Kohlendioxid führt zu Veränderungen der chemischen Zusammensetzung des pflanzlichen Gewebes. Besonders problematisch ist dabei die Reduktion des Stickstoffgehaltes in Blättern, Früchten, Samen und Körnern, z.B. um 10-15 % bei einer CO₂-Erhöhung auf 550-650 ppm. Das hat negative Auswirkungen etwa auf die Backqualität bei Weizen und die Futterqualität von Klee. Bei Weizen, Reis und anderen Getreidesorten wurden bei zunehmender CO₂-Konzentration niedrigere Proteingehalte und damit ein geringerer Nährwert festgestellt.

Prognosen

Die Wirkung einer höheren CO₂-Konzentration ist also komplex, und das macht es sehr schwierig, sie quantitativ abzuschätzen. Das ist in Experimenten versucht worden, bei denen Pflanzenbestände künstlich einer höheren CO₂-Konzentration ausgesetzt wurden. Ältere Experimente wurden in Gewächshäusern durchgeführt, wobei relativ hohe Produktionszuwächse von ca. 33 % bei C₃- und etwa 10 % bei C₄-Pflanzen ermittelt wurden. In den letzten 20 Jahren sind solche Versuche zunehmend im Freien und während längerer Zeiträume durchgeführt worden. Dabei wurde festgestellt, dass Pflanzen sich an die höhere CO₂-Konzentration anpassen, vor allem durch verringerte Spaltöffnungen der Stomata, um Wasserverlust zu vermeiden. Dadurch kam es zu wesentlich geringeren Photosyntheseleistungen als bei den Gewächshausversuchen. So lag die Zunahme der Erträge bei einer Steigerung der CO₂-Konzentration auf 550 ppm bei C₃-Kulturen bei nur 11 % und bei nur 7 % bei den fünf wichtigsten Grundnahrungsmitteln. Noch wesentlich geringer (sofern überhaupt feststellbar) waren die Erträge bei C₄-Pflanzen wie Mais und Hirse. Als Mittelwerte gibt der IPCC-Bericht von 2007 bei einer Erhöhung der CO₂-Konzentration auf 550 ppm bei C₃-Pflanzen eine Zunahme der Ernteerträge um 10-20 %, bei C₄-Pflanzen um 0-10 % an.

Wirkung von troposphärischem Ozon

Das troposphärische Ozon (O₃) ist wie Kohlendioxid, Methan, Lachgas oder FCKW ein Treibhausgas, dessen Konzentration durch den Einfluss des Menschen seit Beginn der Industrialisierung ebenfalls deutlich angestiegen ist. Es wird nicht direkt emittiert, sondern entsteht aus Vorläufergasen wie Stickoxiden u.a. durch chemische Prozesse in der Atmosphäre. Und es besitzt anders als die genannten Treibhausgase nur eine kurze Lebensdauer in der Atmosphäre, weshalb es auch regional sehr unterschiedlich verteilt ist.

Ähnlich wie Kohlendioxid wird auch Ozon von den Pflanzen durch die Stomata aufgenommen. Es wirkt jedoch nicht wachstumsfördernd, sondern -hemmend. Ozon reduziert die Photosyntheserate, erhöhte die Veratmung und beschleunigt die Alterung von Blättern. Außerdem erhöht Ozon die Sensitivität von Pflanzen gegenüber anderen Stressfaktoren wie z.B. Pflanzenkrankheiten. Eine erhöhte Ozon-Konzentration verändert auch den Gehalt an Stickstoff, Kohlenhydraten und Phenolen im Blatt und im Korn. Insgesamt sind diese Bereiche aber noch wenig untersucht, so dass nur ungefähre Aussagen gemacht werden können.

Allgemeine Überlegungen lassen darauf schließen, dass die höchste Ozonschädigung von Anbaupflanzen nicht unbedingt in den Gebieten bzw. Wetterlagen mit der höchsten Ozonbelastung vorkommen muss. Die höchsten Ozonwerte werden bei strahlungsreichem Wetter und starken Emissionen der Vorläufergase z.B. durch Autoabgase erreicht. Das ist im Sommer vor allem in subtropischen Gebieten der Fall oder weiter nördlich bei trockenem Sommerwetter. In der sehr trockenen Luft etwa des Mittelmeerraumes öffnen sich die Stomata jedoch nur wenig, um Wasserverlust zu vermeiden, weshalb auch wenig O₃ aufgenommen wird. Eine stärkere Ozonschädigung ist daher eher in humiden Breiten, etwa in Mittel- und Nordeuropa, anzunehmen. Wenn die Pflanzen im mediterranen Raum allerdings mit genügend Wasser durch künstliche Bewässerung versorgt sind, ist hier mit den schwersten O₃-Schäden zu rechnen.

Über die Folgen der Ozonaufnahme bei einzelnen Pflanzen gibt es nur verhältnismäßig wenige Untersuchungen. Die zeigen, dass schon heutige Ozonwerte, die zwischen 40 und 75 ppb liegen, zu Ertragseinbußen führen können. Nach europäischen Freilandversuchen lagen diese für Getreide (Weizen, Gerste, Hafer) bei 5-15 %, bei einer Erhöhung der Konzentration auf mehr als 60 ppb sogar bei bis zu 60 %. Möglicherweise belaufen sich die Ertragseinbußen in der EU jährlich auf 4-5 Milliarden Euro. Dabei wird die Ozonkonzentration auch weiterhin zunehmen und bis 2050 im globalen Mittel möglicherweise auf 70 ppb zunehmen. Der Anteil an den weltweiten Getreideflächen, die einer signifikanten Ozonbelastung ausgesetzt sind, könnte dann auf 30.75 % gestiegen sein. Allerdings könne die in mittleren Breiten erwartete größere Sommertrockenheit zu einer verminderten Aufnahme von Ozon durch die Anbaupflanzen führen.

Literatur

• Schaller, M., und H.-J. Weigel (2007): Analyse des Sachstands zu Auswirkungen von Klimaveränderungen auf die deutsche Landwirtschaft und Maßnahmen zur Anpassung, Landbauforschung, Sonderheft 316

Schülerarbeiten zum Thema

Schülerarbeiten zum Thema des Artikels aus dem Schulprojekt Klimawandel:

• Auswirkungen des Klimawandels auf den deutschen Wald (Anne-Frank-Schule, Bargteheide)
• Das Ökosystem Wald als Klimafaktor (Athenaeum, Stade)
• Die borealen Nadelwälder im Klimawandel Welche Wechselwirkungen bestehen, welche Entwicklungen sind zu erwarten? (Gymnasium Grootmoor, Hamburg)
• Einfluss einer Klimaänderung auf die Vegetation und deren wechselseitige Abhängigkeiten (Johanneum, Lübeck)
• Wie verändert der Klimawandel die Verbreitung von Buche und Fichte in Deutschland? (Gymnasium Grootmoor, Hamburg)

Lizenzhinweis

Kontakt: Dieter Kasang