Kohlendioxidentzug durch Aufforstung

Aus Klimawandel
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Natürlicher Wald
Bewirtschafteter Wald
Holzige Biomasse Plantage
Biomasse Gras
Abb.1: Die hier in Betracht gezogenen vier Aufforstungsmöglichkeiten zeigen deutlich, dass die Veränderung der Landschaftscharakteristiken (z.B. Albedo, Bodenrauigkeit, Feuchteflüsse etc.) erheblich vom Typ der Aufforstung abhängt.

1 Terrestrisches CDR

Terrestrischer Kohlendioxidentzug (engl. Terrestrisches Carbon Dioxide Removal (CDR)) zielt darauf ab, die Ursachen des Klimawandels zu vermindern. Die Idee ist es, die Aufnahme und Bindung von atmosphärischem CO2 durch die Biospähre zu erhöhen, zum Beispiel durch großflächige Aufforstung und Biomassenplantagen. Der Begriff Aufforstung umfasst hier die Wiederbepflanzung ehemals entwaldeter Flächen (Reforestation) sowie die Ansiedelung von Wäldern oder Plantagen dort, wo für mindestens 50 Jahre kein natürlicher Waldbewuchs stattgefunden hat (Afforestation) [1]. 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.[2] [3]

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)[2]. Daraus ergibt sich letztendlich das Substitutionspotential von fossilen Brennstoffen, welches die Emissions- und Energiebilanzen von Bioenergie den fossilen Brennstoffen gegenüberstellt.[3]

2 Risiken und Nebenwirkungen

Effektives terrestrisches CDR kann nur durch großskalige Aufforstungsprogramme erlangt werden.[4] [5] 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), 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, dass 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 werden, oder aber bewusst bewahrt und als positiver Faktor hinzugezogen werden, um z.B. durch bestimmte Tierarten den Insektenbefall in der Anbauzone zu vermindern.[6]

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. [7][8]

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“[9] untersuchen Forscher in lokalen Studien die Langzeitwirkung erhöhter CO2-Konzentrationen auf die Pflanzen und deren Limitierungen (z.B. durch begrenzte Stickstoffverfügbarkeit).

Abb 2: Verdeutlichung des Snow-Masking Effekts. Auf den Ästen der Bäume kann sich der Schnee nicht so gut halten und fällt herab. Dadurch wird hier die Oberflächenalbedo herabgesetzt im Gegensatz zu ebenen Grasflächen, die eine geschlossene Schneedecke mit hoher Albedo zulassen.

Weiterhin müssen die Rückkopplungen der Auswirkungen von Aufforstung auf den Klimawandel selbst untersucht werden. Denn die biogeophysikalischen und biogeochemischen Rückkopplungen verändern das Klima global und regional 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 [10]. 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.

3 Simulationen und Landnutzungsszenarien

Abb. 3: Änderung der natürlichen Vegetation durch Ausdehnung der Landwirtschaft zwischen den Jahren 800 und 1992. Die Farben stellen den Rückgang der Waldbedeckung dar (Anteil am Pixel), Schraffierungen zeigen Regionen auf, in denen mehr als 40% der natürlichen Gras- und Buschbedeckung in einem Pixel in landwirtschaftliche Nutzflächen überführt wurden. (Pongratz, 2011, GRL)
Abb 4: Diese Karte zeigt, welche Regionen sich zur Aufforstung eignen (rote Pixel) und in welchen die negativen biogeophysikalischen Effekte der Albedoverringerung die positiven biogeochemischen Effekte der CO2-Aufnahme überwiegen (blaue Pixel). Delta F ist hier die Änderung des Strahlungsantriebs vom Jahr 800-1992 als Summe aus Albedo-Änderung und CO2-Emissionen. (aus Pongratz 2011, GRL, angepasst)

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)[11] 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. 4), 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.[12] Die Entwicklung und Umsetzung dieser Szenarien erfolgt zurzeit in dem Projekt CE-LAND.[13]

4 Einzelnachweise

  1. Secretariat of the Convention on Biological Diversity (2012). Geoengineering in Relation to the Convention on Biological Diversity: Technical and Regulatory Matters, Montreal, Technical Series No. 66, 152 pages.
  2. 2,0 2,1 Lenton (2010): The potential for land-based biological CO2 removal to lower future atmospheric CO2 concentration, Carbon Management, Vol. 1, No. 1, pages 145-160 , DOI 10.4155/cmt.10.12
  3. 3,0 3,1 Mitchell et al. (2012): Carbon debt and carbon sequestration parity in forest bioenergy production, GCB Bioenergy, Vol. 4, Issue 6, pages 818–827, DOI 10.1111/j.1757-1707.2012.01173.x
  4. House et al. (2002): Maximum impacts of future reforestation or deforestation on atmospheric CO2, Global Change Biology, Vol. 8, Issue 11, pages 1047–1052, DOI 10.1046/j.1365-2486.2002.0
  5. Arora and Montenegro (2011): Small temperature benefits provided by realistic afforestation efforts, Nature Geoscience, Vol. 4, Issue 8, pages 514-518, DOI 10.1038/ngeo1182
  6. Dornburg et al. (2009): Bioenergy revisited: Key factors in global potentials of bioenergy, Energy & Environmental Science, Vol. 3, Issue 3, pages 258-267, DOI 10.1039/B922422J
  7. Powell and Lenton (2012): Future carbon dioxide removal via biomass energy constrained by agricultural efficiency and dietary trends, Energy & Environmental Science, Vol. 5, Issue 8, Pages 8116, DOI 10.1039/c2ee21592f
  8. Smith et al. (2013): How much land-based greenhouse gas mitigation can be achieved without compromising food security and environmental goals?, Global Change Biology, Vol. 19, Issue 8, pages 2285-2302, DOI 10.1111/gcb.12160
  9. Free-Air CO2 Enrichment Experiment FACE
  10. Pongratz et al. (2011): Past land use decisions have increased mitigation potential of reforestation, Geophysical Research Letters, Vol. 38, Issue 15, DOI 10.1029/2011GL047848
  11. Lund-Potsdam-Jena managed Land Dynamic Global Vegetation and Water Balance Model
  12. Neues Erdsystemmodell des Max-Planck-Instituts für Meteorologie
  13. Klima-Engineering über Land: CE-Land


5 Lizenzhinweis

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