Terrestrischer Kohlenstoffkreislauf

Abb. 1: Schematische Darstellung des terrestrischen Kohlenstoffkreislaufs. Die Werte geben Kohlenstoffflüsse in Gt C/Jahr an.

Kohlendioxid kommt auf der Erde in verschiedenen Speichern vor, in der Atmosphäre, im Ozean, auf dem Land und in geologischen Gesteinsschichten. Zwischen den Reservoiren kommt es zu Austauschprozesse, die den Kohlenstoffkreislauf bilden. Dieser Kreislauf ist im Hinblick auf die Geschwindigkeit der Austauschprozesse zweigeteilt. Der langsame Kohlenstoffkreislauf bezieht durch Vulkanausbrüche, Verwitterung und Plattentektonik sowie in jüngster Zeit durch die Förderung von fossilen Energieträgern durch den Menschen den geologischen Speicher mit ein. Für das Klima und das Leben auf der Erde ist jedoch unmittelbar nur der Kohlenstoff in den oberflächennahen Speichern Ozean, Landbiosphäre und Atmosphäre von Bedeutung.

Der Kohlenstoffkreislauf auf dem Land

Auf dem Land sind drei große Kohlenstoffspeicher zu unterscheiden:

1. die Vegetation mit 450 GtC (Gigatonnen Kohlenstoff),
2. die Böden mit 1700 GtC
3. und der Permafrost 1400 GtC.

Bei den angegebenen Größenordnungen handelt es sich um die natürlichen Reservoire, wie sie um 1750 vor Beginn der Industrialisierung existierten. Dabei tauscht die Landbiosphäre mit der Atmosphäre in einem natürlichen Kreislauf 120 GtC aus.

Die wichtigste Wechselwirkung zwischen Atmosphäre und Land spielt sich über die Vegetation ab. Der Austausch zwischen Atmosphäre und Landbiosphäre geschieht durch die Prozesse von Photosynthese, Veratmung und Verrottung. Pflanzen nehmen durch die Photosynthese Kohlendioxid aus der Atmosphäre auf und geben durch autotrophe Respiration (Veratmung lebender Pflanzen) Kohlendioxid wieder an die Atmosphäre ab. Ein anderer Teil wird durch heterotrophe Respiration beim Abbau abgestorbener Biomasse durch Organismen der Atmosphäre zugeführt. Nur ein geringer Teil des kurzfristig umgesetzten Kohlenstoffs wird über längere Zeiträume im Boden gespeichert, bildet dort aber über längere Zeiträume große Speicher (Böden und Permfrost), die die der oberirdischen Vegetation weit übertreffen. Durch die Photosynthese der Pflanzen wird auch Sauerstoff freigesetzt. Dass Pflanzen insgesamt mehr CO₂ aufnehmen als sie abgeben, liegt daran, dass sie mittels Photosynthese Biomasse aufbauen.

Die gesamte Produktion von Biomasse durch Pflanzen mithilfe von Licht und Kohlendioxid wird als Bruttoprimärproduktion bezeichnet. In der Bruttoprimärproduktion (BPP) der Pflanzen werden zunächst 120 Gt C pro Jahr durch die Photosynthese assimiliert (aufgenommen). Etwa die Hälfte dieses Kohlenstoffs (ca. 60 Gt C pro Jahr) geht durch die Atmung der Pflanzen (autotrophe Respiration, R_a) aber unmittelbar wieder an die Atmosphäre verloren. Die andere Hälfte geht dauerhafter in das Wachstum der Biomasse ein (Nettoprimärproduktion, NPP). 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, R_h). D.h. nur 5 Gt C werden über längere Zeiträume durch die sogenannte Nettoökosystemproduktion im Stamm und Wurzelwerk gespeichert. (Abb. 1)

Die anthropogene Störung

Wie viel CO₂ eine Pflanze als Biomasse speichert, hängt von vielen Faktoren ab: die Verfügbarkeit von Wasser, die Verfügbarkeit von Sonnenlicht im richtigen Wellenlängenbereich, die Temperatur, die Luftfeuchtigkeit und die Verfügbarkeit von Nährstoffen wie Stickstoffverbindungen und einigen anderen. Für die Photosynthese sind besonders Licht, Nährstoffe und Kohlendioxid von Bedeutung, die Atmung ist dagegen vorrangig von der Temperatur abhängig.

Abb. 2: Abhängigkeit der Blattphysiologie von der Temperatur. Links: Bruttoprimärproduktion (obere Kurve) und Atmung (untere Kurve). Da die Atmung der Pflanzen mit der Temperatur ansteigt, die Photosyntheserate aber ein Maximum erreicht und danach wieder abfällt, hat auch die Differenz der beiden, nämlich die Nettoprimärproduktion (rechts), ein Maximum.

Auch die natürlichen Kreisläufe werden durch den menschengemachten Klimawandel erheblich verändert, mit Auswirkungen auf die Nettoprimärproduktion. So werden in den mittleren und höheren Breiten verlängerte Wachstumszeit durch einen früheren Frühlingsbeginn und ein späteres Herbstende beobachtet. Die Erwärmung hat in Europa bereits heute zu einer längeren Wachstumszeit von 11 Tagen geführt und damit auch zu einer vermehrten CO₂-Aufnahme. Pro Jahrzehnt begann der Frühling in Europa um 3-4 Tage früher, in China um 5,5 Tage. 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 migrieren können.

Abb. 3: CO₂-Quellen und -Senken auf dem Land. Grün-blau: CO₂-Senke in KgC pro m² und Jahr; gelb-rot: CO₂-Quelle in KgC pro m² und Jahr.

Quellen und Senken

Wenn die terrestrischen Biosphäre mehr Kohlendioxid an die Atmosphäre abgibt als sie von dieser aufnimmt, dann ist sie für die Atmosphäre eine Quelle von Kohlendioxid. Im umgekehrten Fall ist die terrestrische Biosphäre eine Senke. Seit 1850 hat die terrestrische Kohlenstoffsenke 220 GtC aufgenommen, was 31% der anthropogenen Emissionen entspricht. Mehr als Dreiviertel davon (150 GtC) erfolgten nach 1960. D.h. die Kohlenstoffsenke durch die Landvegetation hat im Laufe der Zeit zugenommen, vor allem in den letzten Jahrzehnten. Sie lag in den 1960er Jahren bei jährlich 1,2 GtC und war im Mittel des Jahrzehnts 2014-2023 mit 3,2 GtC pro Jahr fast dreimal so hoch. Allerdings zeigt die Landsenke starke jährliche Schwankungen, die vor allem durch den Wechsel von El-Niño- und La-Niña-Ereignissen bedingt sind. Während eines El Niños schwächt sich die Kohlenstoffsenke auf dem Land ab, während einer La Niña nimmt sie zu. So lag die Landsenke in dem La-Niña-Jahr 2022 bei 3,9 GtC, während sie unter dem Einfluss von El Niño 2023 auf 2,3 GtC zurückging.

Abb. 4: CO2-Düngungseffekt. Grün-blau: CO2-Senke in KgC pro m2 und Jahr

Abb. 5: Auswirkungen der globalen Erwärmung auf die CO2-Flüsse. Grün-blau: CO2-Senke in KgC pro m2 und Jahr; gelb-rot: CO2-Quelle in KgC pro m2 und Jahr.

Grundsätzlich ist der zunehmende Trend der Kohlenstoffsenke auf dem Land seit den 1960er Jahren durch den CO₂-Düngungseffekt bedingt, in Verbindung mit einer erhöhten Stickstoffablagerung, die die Photosynthese der Pflanzen anregen und in Trockengebieten deren Wassernutzung verbessern. Die größte Wirkung hat der CO₂-Effekt - in Verbindung mit hohen Temperaturen und einer langen Wachstumszeit - in den Tropenwäldern. Dem CO₂-Düngungseffekt steht in einigen Regionen wie Südamerika, Mitteleuropa, Südostasien und Westafrika die Wirkung Klimawandels durch abnehmende Niederschläge und zu hohe Temperaturen gegenüber. Global hat der Klimawandel 2014-2023 den CO₂-Düngungseffekt die Landsenke von Kohlenstoff um jährlich 0,87 GtC bzw. 27% reduziert. Nur in wenigen Regionen in Südamerika, Europa, Nordafrika und Australien überwiegt die negative Wirkung des Klimawandels, so dass die Vegetation auf dem Land zu eine Kohlenstoffquelle wird (Abb.).

Klimasimulationen zeigen, dass die CO₂-Aufnahme durch die Landvegetation bis zum Ende des 21. Jahrhunderts bei dem hohen Szenario SSP8.5 auch weiterhin zunehmen, bei den niedrigeren Szenarien allerdings durch die begrenzte Verfügbarkeit von Nährstoffen zurückgehen wird. Nach jüngsten Modellberechnungen wird die Aufnahme von CO₂ vor allem in den nördlichen Breiten der Nordhalbkugel zunehmen, in den tropischen Regionen jedoch zurückgehen. Wichtige Einflussfaktoren sind Extremereignisse und die erhöhte CO₂-Konzentration der Atmosphäre. Die Regionen mit der stärksten Abnahme sind das nördliche Südamerika, Zentralafrika und Südostasien, besonders in den tropischen Regenwäldern des Amazonasgebietes, im Kongo und in Südostasien. Im Vergleich zu Jahr 2000 wird dadurch die Bruttoprimärproduktion 2100 in der tropischen Klimazone je nach Szenario zwischen 1,3% bis 8% geringer ausfallen. Der Grund sind vor allem klimatische Änderungen wie häufigere Dürren. In der kalten Zone zeigt sie dagegen eine Zunahme zwischen 5% und 17% und in der polaren Zone zwischen 12% und 90%. Wichtige Ursachen sind die starke Erwärmung im Vergleich zum globalen Durchschnitt und eine längere Wachstumszeit. In der gemäßigten Zone ergeben sich nur geringe Änderungen durch den Klimawandel.

Landnutzungsänderungen

Der Mensch wirkt jedoch nicht nur indirekt durch den Klimawandel auf den terrestrischen Kohlenstoffkreislauf ein. Hinzu kommen direkte Eingriffe in die Vegetation. In den letzten Jahrhunderten musste ein großer Teil der Wälder und der sonstigen natürlichen Vegetation verstärkt 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. Während der ersten 100 Jahre seit Beginn der Industrialisierung 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, au.a. durch Wiederaufforstung, zurückgegangen. Dadurch sind von den außertropischen Gebieten in den 1980er und 1990er Jahren Netto 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 Gt Kohlenstoff pro Jahr, in den 1990er Jahren mit 1,6 Gt C/Jahr.

Im letzten Jahrzehnt (2010-2019) kam es durch Entwaldung, die Trockenlegung von Feuchtgebieten, die Ausdehnung von landwirtschaftlicher Nutzfläche und andere Landnutzungsänderungen zu einer Emission von 1,6 GtC pro Jahr. Die stärkste Entwaldung geschah in den tropischen Regenwäldern, die 2010-2019 zu jährlichen Kohlenstoffemissionen von 0,6 GtC geführt haben. Andererseits wurden durch die Zunahme des Pflanzenwachstums im selben Zeitraum 3,4 GtC pro Jahr aus der Atmosphäre entnommen. Zweidrittel davon gehen auf das Konto der Zunahme von Wäldern. Insgesamt waren die terrestrischen Ökosysteme eine Nettosenke von Kohlenstoff von -1,9 GtC pro Jahr.

Weblinks

• Max-Planck-Gesellschaft (2010): Der Kohlenstoffkreislauf im Erdsystem

Schülerarbeiten zum Thema

Schülerarbeiten zum Thema des Artikels aus dem Schulprojekt Klimawandel:

• CO₂-Senken (Stadtteilschule Walddörfer, Hamburg)
• Das Ökosystem Wald als Klimafaktor (Athenaeum, Stade)
• Einfluss einer Klimaänderung auf die Vegetation und deren wechselseitige Abhängigkeiten (Johanneum, Lübeck)
• Inwiefern sind Moore und der Klimawandel miteinander gekoppelt? Das Beispiel: Moore in Norddeutschland (Gymnasium Grootmoor, Hamburg)

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Kontakt: Dieter Kasang