Wirkung von Kohlendioxid und Ozon

CO₂-Düngungseffekt

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

Die Zunahme der CO₂-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.

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, wenn 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.