Studie: Böden und Vegetation dürften als CO2-Auffangbecken bald ausfallen

Weltweit könnten Ökosysteme schon in wenigen Jahrzehnten ihre Rolle als CO2-Senken verlieren und einen gegenteiligen Effekt produzieren, warnen Forscher.

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(Bild: Piyaset/Shutterstock.com)

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  • Stefan Krempl

Die Land-Ökosysteme der Erde mit ihren Böden und der darauf wachsenden Vegetation spielen eine wichtige Rolle, um dem Klimawandel vorzubeugen. Sie nehmen derzeit etwa 30 Prozent der menschengemachten CO2-Emissionen auf und sind so als Kohlenstoff-Senke ein enorm wichtiges Auffangbecken für das Treibhausgas. Dieser Effekt könnte sich bei einer weiteren Klimaerwärmung aber ins Gegenteil umkehren, schreibt ein US-amerikanisches und neuseeländisches Forscherteam um die Informatikerin Katharyn Duffy von der Northern Arizona University.

Die Wissenschaftler sehen die Ökosysteme auf dem Land in ihrer Funktion als Kohlenstoffspeicher auf einen Kipp-Punkt zusteuern. Sie würden so zu weiteren Quellen für den CO2-Ausstoß und den Temperaturanstieg auf dem Globus wiederum erhöhen.

Die wichtigste Wechselwirkung zwischen Atmosphäre und Land spielt sich generell über die Vegetation ab. Für die CO2-Bilanz dieser Systeme sind vor allem zwei Prozesse bedeutsam: Bei der Photosynthese absorbieren Pflanzen das Treibhausgas, wandeln es in Biomasse um und speichern so den Kohlenstoff. Bei der Atmung dagegen setzen die Pflanzen das Gas wieder frei. Beide Prozesse sind abhängig etwa von der Wärme und dem Lichteinfall.

Während der Stoffwechselvorgang in Form der Respiration bei steigenden Temperaturen immer schneller abläuft und damit auch mehr CO2 in die Atmosphäre abgegeben wird, erreicht die Photosynthese-Leistung einen Schwellenwert. Ab dieser Temperatur sinkt ihre Leistung. Somit können steigende Temperaturen dazu führen, dass mehr CO2 abgeatmet als über die Photosynthese gespeichert und teils in Sauerstoff umgewandelt wird.

Die Autoren analysierten für ihre am Mittwoch im Fachjournal "Science Advances" veröffentlichten Untersuchung Aufzeichnungen von Daten aus dem Beobachtungsverbund Fluxnet, einem weltweiten Netzwerk von Stationen, die den Austausch von Kohlendioxid, Wasserdampf und Energie zwischen Biosphäre und Atmosphäre messen.

Die Wissenschaftler bestimmten Photosynthese- und Atmungsänderungen, die ausschließlich auf Temperaturänderungen an jedem Flux-Tower-Standort zurückzuführen sind. Mit diesem Verfahren kommen sie zu dem Ergebnis, dass vor allem komplexe Ökosysteme wie Regen- und Taigawälder, die am meisten Kohlenstoff speichern, bereits zwischen 2040 und der Mitte des Jahrhunderts mehr als 45 Prozent ihrer Fähigkeit verlieren könnten. Bis zum Jahr 2100 würde dann rund die Hälfte der Landökosysteme den Kipp-Punkt erreichen, ab dem die Pflanzen Kohlenstoff schneller in die Atmosphäre abgeben als sie ihn binden.

Im Sommer 2018 hatten Forscher bereits vor anderen Kipp-Punkten gewarnt. Sie führten aus, dass das Klima etwa durch solche physikalischen, sich gegenseitig verstärkenden Rückkopplungen aus dem Ruder laufen und eine Heißzeit auslösen könnten. Es gibt aber auch Hoffnung auf soziale Gegenbewegungen mit gegenläufigen Kipp-Punkten.

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Bisher legten globale Klima- oder allgemeine Zirkulationsmodelle nahe, dass der nun wieder beschriebene "Tipping Point" möglicherweise mehr in der zweiten Hälfte dieses Jahrhunderts erreicht werde, weiß der Augsburger Klimaforscher Wolfgang Buermann. Dass nun von 20 bis 30 Jahren die Rede sei, habe "wichtige Auswirkungen auf die Prognosen zum Klimawandel". Dafür sprechen dem Professor zufolge auch neue Erkenntnisse, die auf einen abgeschwächten CO2-Düngungseffekts auf die Pflanzenproduktivität hinweisen, der möglicherweise mit Einschränkungen des verfügbaren Wassers oder wichtiger Nährstoffe zusammenhänge. Ein Manko der neuen Analyse sei aber, dass eine mögliche Akklimatisierung der pflanzlichen Photosynthese bei hohen Temperaturen unter dem gegenwärtigen – noch relativ moderaten – Erwärmungsniveau möglicherweise nicht richtig abschätzbar sei.

Die Studie sei "informativ", werfe aber viele Fragen auf, meint Matthias Forkel, Professor für Umweltfernerkundung an der TU Dresden. So hätten die Autoren verschiedene andere Prozesse wie den der Wasserverfügbarkeit, die die Kohlenstoffbilanz von Ökosystemen beeinflussten, methodisch stark vereinfacht oder nicht berücksichtigt. Vor allem abgestorbene organische Substanz wie Laub und eine dichte Vegetationsschicht könnten zu einem kühlen Mikroklima beitragen und so die Bodenatmung abschwächen. Andererseits seien die Resultate umso besorgniserregender, weil andere außen vor gelassene Faktoren wie der Effekt von Dürren und Waldbränden die Abgabe von CO2 an die Atmosphäre noch zusätzlich verstärken könnten.

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Stefan Arndt, Professor für ökologische Ökosysteme an der Universität Melbourne, verweist auf eine ähnliche, noch nicht publizierte Analyse einer seiner Doktorandinnen, wonach in Australien eine Temperaturerhöhung wohl nur geringe Folgen für die Kohlenstoffbilanz haben dürfte. Die Ergebnisse der aktuellen Analyse seien wahrscheinlich auf die verfälschende Aggregierung der Daten und auf die verwendeten Modelle zurückzuführen. Auch Markus Reichstein vom Max-Planck-Institut für Biogeochemie in Jena meint, dass das Design der Untersuchung "viele Möglichkeiten für Extrapolationsfehler" eröffnet habe.

(kbe)