Grüne Lunge atmet tief durch

Landpflanzen binden große Mengen CO2 und geben dieses stückweise wieder ab. Die Größe des CO2-Umsatzes der Landvegetation hat ein Forscherteam nun erstmals quantifiziert.

Pflanzen binden große Mengen CO2, das sie via Photosynthese in Sauerstoff und nahrhaften Zucker umwandeln. Das CO2, das sie der Atmosphäre auf diese Weise entziehen, kehrt unterschiedlich schnell wieder dorthin zurück. Einen Großteil setzen die Pflanzen schnell durch ihren Stoffwechsel wieder frei. Ein weiterer Teil des gebundenen CO2 fließt langsamer zurück, wenn Laub oder Holz im Boden zersetzt werden oder in Feuern verbrennen. Bei hohen Temperaturen schwitzen auch Pflanzen, sie reagieren mit einem erhöhten Kohlendioxidausstoß. 

Kohlendioxid ist zwar einerseits ein lebenswichtiger Rohstoff für Pflanzen zum Aufbau von Biomasse, andererseits jedoch auch ein klimaschädliches Treibhausgas. Jahrtausendelang hat die Natur das Gas in der Atmosphäre reguliert. Durch die Emission großer Mengen CO2 aus Kohle-, Öl- und Gasvorkommen hat der Mensch diese natürlichen Systeme gestört. Klimaforscher sind sich einig, dass die globale Temperatur ansteigt, wenn die Kohlendioxidkonzentration in der Atmosphäre zunimmt. Die Verzögerungen im Rückfluss von Kohlenstoff in die Atmosphäre sind daher auch wichtig für die Geschwindigkeit, mit der ein menschenverursachter Klimawandel voranschreitet.

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Quantifizierung der CO2-Austauschprozesse

Ein internationales Forscherteam unter Leitung des Max-Planck-Institut für Biogeochemie in Jena hat nun erstmals die Größe des Austauschprozesses von Kohlenstoff zwischen Atmosphäre und Landoberfläche ermittelt und die Einflüsse des Klimas darauf bestimmt. 

Um zu berechnen, wie viel CO2 verschiedene Ökosysteme aus der Atmosphäre aufnehmen, nutzten die Forscher Informationen aus einem globalen Netzwerk von mehr als 250 Messstationen. Mit den Daten wurden Computermodelle gefüttert, um die so genannte Bruttoprimärproduktion zu berechnen, die weltweit von der Vegetation der Landoberfläche aufgenommene CO2-Menge.

Ihre Forschungsergebnisse verglichen die Wissenschaftler mit den Daten zweier Vegetationsmodelle. Diese sollten helfen, die künftige Bilanz des Kohlenstoffaustauschs zwischen Land und Atmosphäre bei fortschreitendem Klimawandel zu berechnen. Während das eine Modell die zukünftige globale natürliche Vegetation (LPJ) prognostiziert, bezieht das Modell LPJmL des Potsdam-Institut für Klimafolgenforschung (PIK) die weltweite landwirtschaftliche Landnutzung inklusive der Auswirkungen durch Bewässerung mit ein.

Einflussfaktoren auf die CO2-Bilanz

Ihr Ergebnis: Jährlich werden etwa 450 Mrd. Tonnen CO2, das ist ein Siebtel der Gesamtmenge in der Atmosphäre bzw. 123 Mrd. Tonnen Kohlenstoff, durch Photosynthese auf Land zu Biomasse umgesetzt. Diese Menge hängt jedoch stark von den Umweltbedingungen ab, vor allem vom Klima und der Vegetation. Wie Ökosysteme auf veränderte Umwelteinflüsse reagieren, ist für den Menschen, der diese wirtschaftlich nutzt, praktisch relevant. Denn die Ökosysteme könnten den Klimawandel puffern oder beschleunigen und sich im Zuge dessen selbst stark verändern. 

Tropische Ökosysteme wie Regenwälder und Savannen setzen fast 60% des CO2 um. Die Regenwälder schlucken dabei deutlich mehr Kohlenstoff je Quadratkilometer als Savannen. Wegen ihrer riesigen Ausdehnung spielen die Savannen jedoch ebenso eine bedeutende Rolle als CO2-Senken. 11% des CO2 nehmen die Felder für die Nahrungsmittelproduktion auf. 

Einen großen Einfluss auf den globalen Kohlenstoffkreislauf scheint die Niederschlagsmenge zu haben. Denn weit stärker als von Lichteinfall oder Temperatur hängt die Photosyntheserate und damit die CO2-Aufnahme vielerorts davon ab, ob ausreichend Wasser verfügbar ist oder nicht. 

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In Savannen bestimme die Wasserversorgung die Menge an gebundenem Kohlendioxid zu 69%, in tropischen Regenwäldern hingegen nur zu 29%. Wieso dies so ist, können sich die Wissenschaftler derzeit noch nicht erklären. Sicher sind sie sich jedoch darin, dass die globale Erwärmung die zeitlichen und räumlichen Muster des Niederschlags deutlich verändern wird. Dies könnte sich sehr stark auf die Produktivität der Landökosysteme auswirken.

Der Einfluss des Niederschlags auf die CO2-Aufnahme werde jedoch auch häufig überschätzt, argumentieren die Wissenschaftler. Dies bestätigte das genutzte PIK-Modell, das die Auswirkungen der Landwirtschaft mitberücksichtigt. Dennoch bleibt Niederschlag ein wichtiger Klimaeinfluss. Die Wissenschaftler vermuten, dass bislang nicht berücksichtigte Mechanismen, wie z.B. die biologische Anpassung, den Einfluss des Klimas auf die Vegetation mindern. 

Besseres Verständnis der klimaregulierender Prozesse

Die Ergebnisse der Studie sind ein großer Schritt im Verständnis der klimaregulierenden Wirkung der Landoberfläche durch CO2-Austausch und bezüglich der weltweiten Biomasseproduktion. Die verwendeten Vegetationsmodelle sind in der Lage, Unterschiede in der Kohlenstoffaufnahme in verschiedenen geographischen Breiten darzustellen. Der Vergleich der beiden Modelle zeigt jedoch auch starke Unterschiede zwischen den Szenarien bezüglich der Größe und der regionalen Details. Die Studienergebnisse sollen nun helfen, Klimamodelle zu verbessern und Prognosen realistischer zu machen. 

Die veröffentlichten Zahlen zeigten, dass alle sieben Jahre die gesamte Menge des CO2 in der Atmosphäre einmal durch die Blätter der globalen Vegetation fließe. Diesen fundamentalen Prozess im Erdsystem könne man nun zuverlässig quantifizieren. Die genauen Details der beteiligten Faktoren sind dabei aber ein Thema für künftige Forschungen. Insbesondere der langfristige Kohlenstoffumsatz in trägen Ökosystemen wie den Böden werde bisher noch nicht gut verstanden. Zudem bezieht sich die Studie ausschließlich auf Landökosysteme. Ozeane als Kohlendioxidspeicher bleiben dabei außen vor. Auch sie üben jedoch einen großen Einfluss auf das weltweite Klimasystem aus.