Kohlenstoffkreislauf Land

Aus Klimawandel

Der terrestrische Kohlenstoffkreislauf

Auf dem Land sind drei Kohlenstoffspeicher zu unterscheiden:

  • Der Boden mit ca. 1560 Gt C
  • Die lebende Vegetation mit etwa 660 Gt C
  • Die Streu mit ca. 90 Gt C

Die wichtigste Wechselwirkung zwischen Atmosphäre und Land spielt sich über die Vegetation ab. Pflanzen nehmen durch die Photosynthese Kohlendioxid aus der Atmosphäre auf, sie geben durch Atmung (Respiration) aber auch wieder das gespeicherte CO2 an die Atmosphäre ab. In der Bruttoprimärproduktion der Pflanzen werden 120 Gt C pro Jahr zunächst durch die Photosynthese assimiliert. Etwa die Hälfte dieses Kohlenstoffs (ca. 60 Gt C pro Jahr) geht durch die Atmung der Pflanzen (autotrophe Respiration) aber unmittelbar wieder an die Atmosphäre verloren. Die andere Hälfte geht dauerhafter in das Wachstum der Biomasse ein (Nettoprimärproduktion). Ein Großteil der Biomasse fällt jedoch als Streu (Laub, heruntergefallene Zweige etc.) an und wird durch Bodenorganismen mineralisiert, wobei jährlich 55 Gt C des durch das Wachstum der Pflanze gespeicherten Kohlenstoffs von 60 Gt C pro Jahr wieder an die Atmosphäre abgegeben werden (heterotrophe Respiration). D.h. nur 5 Gt C werden über längere Zeiträume durch die sogenannte Nettoökosystemproduktion im Stamm und Wurzelwerk gespeichert. Auch dieser Anteil kann durch Holznutzung und Feuer und als gelöster Kohlenstoff (DOC) durch Abfluss teilweise verloren gehen. Nur der Rest von einer Gt C pro Jahr wird als sogenannte Nettobiomproduktion in Form von Holzkohle und schwer abbaubarem Humus über sehr lange Zeiträume akkumuliert.

Der Austausch der Atmosphäre mit der terrestrischen Biospäre kann je nach Intensität der Kohlenstoff bindenden bzw. freisetzenden Prozesse für die Atmosphäre positiv sein, dann ist die Biospäre eine Quelle von Kohlenstoff für die Atmosphäre, oder er kann negativ sein, dann ist die terrestrische Biosphäre eine Senke. In den letzten Jahrzehnten war die terrestrische Biosphäre eine Senke, in den 1980er Jahren von -1,7 Gt C pro Jahr und in den 1990er Jahren von -1,9 Gt C pro Jahr (mit relativ großen Unsicherheiten in der Einschätzung).[1] Die wichtigsten Ursachen für Schwankungen im CO2-Fluss zwischen Biosphäre und Atmosphäre sind Landnutzungsänderungen, Änderungen der klimatischen Bedingungen sowie Veränderungen des atmosphärischen CO2-Gehalts und der Nährstoffzufuhr.

Landnutzungsänderungen

In den letzten Jahrhunderten musste ein großer Teil der Wälder und der sonstigen natürlichen Vegetation der landwirtschaftlichen Nutzung weichen. Dieser Prozess degradierte den Boden, führte häufig zur Bodenerosion und laugte die Nährstoffe aus. Die Vernichtung der natürlichen Vegetation und die Bodenzerstörung führten zu erheblichen Kohlenstoffverlusten. Nahezu 90% davon entfallen auf die Vernichtung von Wäldern. Eine jüngere Berechnung schätzt die gesamte Kohlenstoffemissionen der Landbiosphäre für die Zeit von 1850 bis 2006 auf 158 Gt C.[2] Während der ersten 100 Jahre war die Umwandlung in Ackerland in Europa und Nordamerika die Hauptquelle für die CO2-Emissionen aus Landnutzungsänderungen. In den letzten Jahrzehnten hat sich die Ackerfläche hier jedoch kaum noch ausgeweitet und ist teilweise, auch durch Wiederaufforstung, zurückgegangen. Dadurch sind von den außertropischen Gebieten in den 1980er und 1990er Jahren kaum noch CO2-Emissionen in die Atmosphäre erfolgt. Dafür haben sich durch die Abholzung von Regenwäldern zunehmend die Tropen zu CO2-Quellen entwickelt, in den 1980er Jahren mit 1,4, in den 1990er Jahren mit 1,6 GtC/Jahr.[3]

Klimawandel

Einen wichtigen Einfluss auf die Fähigkeit der Landbiosphäre zur Speicherung von Kohlenstoff besitzt auch der anthropogene Klimawandel selbst. Besonders in den gemäßigten und kalten Regionen wird ein gemäßigter Anstieg der Temperatur eine Erhöhung der Nettoprimärproduktion der Pflanzen zur Folge haben. Grundsätzlich gibt es jedoch nicht nur eine Temperaturunter- sondern auch eine Temperaturobergrenze für das Pflanzenwachstum. Da das Wachstum an flüssiges Wasser gebunden ist, setzt es erst wenige Grad über dem Gefrierpunkt ein; zu hohe Temperaturen zerstören andererseits die Enzymsysteme und damit die Zellen. Darüberhinaus bevorzugen viele Pflanzen eine Blatt-Temperatur innerhalb bestimmter Grenzen, in denen der Aufbau der Biomasse durch Photosynthese und der Abbau durch Atmung eine möglichst hohe Nettoprimärproduktion ermöglichen. So liegt der Temperaturbereich, in dem die maximale Netto-Photosynthese bzw. das höchste Wachstum stattfindet, für die meisten Pflanzen der mittleren Breiten zwischen 18 und 25 °C. Da ein Temperaturanstieg auch die Atmung ansteigen lässt, können sich terrestrische Ökosysteme, die gegenwärtig Senken für Kohlendioxid darstellen, in Zukunft in Quellen verwandeln.17

Ein anderer Aspekt ist die durch den Klimawandel in mittleren und höhren Breiten verlängerte Wachstumszeit durch einen früheren Frühlingsbeginn und ein späteres Herbstende. Die beobachtete Erwärmung hat in Europa bereits heute zu einer längeren Wachstumszeit von 11 Tagen seit den frühen 1960er Jahren geführt und damit auch zu einer vermehrten CO2-Aufnahme. In höheren Breiten können dadurch außerdem Pflanzen reifen, für die das bislang wegen zu niedriger Temperaturen nicht möglich war. Allerdings sind viele Pflanzen an die Kombination bestimmter Temperatur- und Helligkeitsperioden im Tag-Nacht-Rhythmus angepasst, so dass sie nicht ohne weiteres von niederen in höhere Breiten verpflanzt werden können.

In den höheren Breiten der Nordhalbkugel ist zudem damit zu rechnen, dass ein großer Teil der Permafrostböden, in denen sich nahezu 20% des globalen im Boden gespeicherten Kohlenstoffs befinden, auftaut und Teil des aktiven Kohlenstoffkreislaufs wird. Dabei wird wahrscheinlich mehr Kohlendioxid freigesezt als durch Pflanzenwachstum gespeichert wird. In den Trockengebieten wird eine temperaturbedingte Erhöhung der Verdunstung eher zu einer verringerten CO2-Aufnahme führen, da hier das Pflanzenwachstum stark durch die Wasserversorgung gesteuert wird. Quantitqativ lassen sich die Auswirkung der klimatischen Änderungen auf den Kohlenstoffkreislauf allerdings schwer abschätzen.

CO2-Düngungseffekt

Dafür dass die Landbiosphäre in den beiden letzten Jahrzehnten zu einer CO2-Senke geworden ist, hat man in jüngster Zeit vor allem den sogenannten CO2-"Düngungseffekt" verantwortlich gemacht, bei dem es sich um einen negativen Rückkopplungseffekt der anthropogen bedingten CO2-Erhöhung in der Atmosphäre handelt. Eine höhere atmosphärische Kohlendioxid-Konzentration begünstigt bei den meisten Pflanzen die Photosyntheserate. Wegen der erhöhten Aufnahme von Kohlendioxid pro Zeiteinheit können die Öffnungsphasen der Stomata (feine Spaltöffnungen der Blätter, durch die sowohl die CO2-Aufnahme wie die Wasserabgabe erfolgt) reduziert werden, wodurch sich der Wasserverlust verringert und eine bessere Wasserausnutzung im Verhältnis zur Kohlenstoffaufnahme erzielt wird. Eine höhere CO2-Konzentration kann auch die Nährstoffverwertung verbessern. Zusammengenommen hat das ein höheres Wachstum und einen verringerten Wasserverbrauch zur Folge, und damit eine verstärkte Kohlenstoff-Aufnahme aus der Atmosphäre.

Viele Pflanzen der Trockenregionen nutzen allerdings durch interne Mechanismen schon unter jetzigen Verhältnissen das CO2 der Atmosphäre optimal aus, um den Wasserverlust möglichst gering zu halten, und reagieren daher nur in geringem Maße auf eine Konzentrationserhöhung von Kohlendioxid in der Atmosphäre. Allerdings werden auch bei diesen Pflanzen bei einem höheren CO2-Angebot die Kohlendioxid-Aufnahmezeiten und damit auch die Wasser-Verdunstungsphasen verringert, was durch die bessere Wasserausnutzung einen positiven Wachstumseffekt bedeuten kann. Als Ergebnis der Stomata-Schließung kann die CO2-Zufuhr bei Trockenheit jedoch zu gering werden. Eine Steigerung der Photosynthese bei erhöhter Kohlendioxid-Konzentration in der Atmosphäre wird insofern primär von der Wasserzufuhr abhängen, da eine verringerte Wasserzufuhr zur Schließung der Stomata führen kann, um Verdunstung zu vermeiden.21

Der Prozess des CO2-"Düngungseffekts" beinhaltet also einmal einen direkten Effekt, der in der Kohlenstoffassimilation besteht, und zum anderen einen indirekten Effekt, der die Wasser- und Nährstoffnutzung betrifft. Eine quantitative Abschätzung beider Effekte bei einer weiteren Steigerung der atmospärischen Kohlendioxid-Konzentration, z.B. einer Verdoppelung, fällt gegenwärtig schwer. Einige Untersuchungen gehen davon aus, dass sich die Nettoprimärproduktion der meisten Pflanzen der mittleren und höheren Breiten bei einer CO2-Verdoppelung um 33% erhöhen könnte, wobei das größte Potential bei den Wäldern dieser Klimazonen liegt. Bei vielen Pflanzen in den Trockengebieten würde dieser Wert deutlich darunter liegen. Bei einer deutlich höheren CO2-Konzentration von z.B. 800-1000 ppm[4] zeigen experimentelle Untersuchungen, dass sich die Nettoprimärproduktion entweder nur geringfügig erhöhen oder sogar zurückgehen wird.

Einzelnachweise

  1. IPCC (2007): Climate Change 2007, Working Group I: The Science of Climate Change, 7.3.2.2.2
  2. Josep G. Canadell et al. (2007): Contributions to accelerating atmospheric CO2 growth from economic activity, carbon intensity, and efficiency of natural sinks, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 10.1073/pnas.0702737104
  3. IPCC (2007): Climate Change 2007, Working Group I: The Science of Climate Change, Table 7.2
  4. ppm (Teile pro Million) ist das Verhältnis der Anzahl von Treibhausgasmolekülen zur Gesamtzahl der Moleküle in trockener Luft.

Siehe auch


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