Fatale Rückkopplung

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Der Klimawandel lässt die Temperaturen der Luft, aber auch der Erdoberfläche steigen. Wie bei nahezu allen chemischen Reaktionen und vielen biologische Prozessen beschleunigen sich mit größerer Wärme aber auch die Umsetzungsprozesse im Boden. Wenn aber verstärkt Kohlenstoffverbindungen in den Böden zerfallen, könnte dies für die Entwicklung des Klimas gravierende Folgen haben. Denn daraus ergibt sich eine positive Rückkopplung: Der Boden setzt bei steigenden Temperaturen verstärkt CO2 frei. Dieses Treibhausgas wiederum heizt die Atmosphäre zusätzlich auf. Als Folge wird noch mehr CO2 von den Böden abgegeben.

Der Abbau organischer Substanz wird von vielen Faktoren beeinflusst © M Tullottes/ gemeinfrei

Allerdings ist die Temperatur nicht der einzige Faktor, der diesen Prozess beinflusst: Das Pflanzenwachstum und die Zersetzungsleistung der Bodenorganismen hängen auch von der Verfügbarkeit von Wasser und Nährstoffen ab. Zudem passen sich die Organismen und ihre Stoffwechselaktivität an die veränderten Umweltbedingungen an. Wie ein natürliches System wie der Boden auf Temperaturänderungen reagiert, ist daher nur schwer abzuschätzen und vorherzusagen.

Die Max-Planck-Forscher versuchen, dieser komplexen Reaktion in verschiedenen Feld- und Laborexperimenten auf den Grund zu gehen. Sie untersuchen unter anderem die Abhängigkeit der CO2-Freisetzung aus dem Boden von der Temperatur, der Bodenfeuchte, den Bodeneigenschaften sowie von der Zersetzergemeinschaft und ihrer Aktivität. Mit diesen Ergebnissen testen sie mathematische Modelle zur Simulation der Bodenprozess und entwickeln sie weiter.

Langzeitversuch in amerikanischen Wäldern

In einer der Experimente stellten die Wissenschaftler bereits fest, dass Waldböden mit steigenden Temperaturen weitaus mehr alten, schon seit Jahrzehnten im Boden gespeicherten Kohlenstoff als CO2 freisetzen. Für das gemeinsam mit US-amerikanischen Kollegen durchgeführte Projekt begasten sie Versuchsflächen in zwei Waldgebieten in den US-Bundesstaaten Wisconsin und North Carolina zehn Jahre lang mit markiertem CO2. Die Pflanzen nahmen dieses auf, bauten den Kohlenstoff in ihre Gewebe ein und mit der Zeit gelangte der Kohlenstoff über abgestorbene Pflanzenteile im Boden. Durch die Markierung konnten die Forscher diesen neu gebundenen Kohlenstoff von dem alten, bereits vor mehr als zehn Jahren eingebauten Kohlenstoff unterscheiden.

Waldgebiete (Ringe) in North Carolina, die kontinuierlich mit isotopisch markiertem Kohlendioxid (CO2) begast werden. © Yavor Parashkevov, Duke University

Die Wissenschaftler nahmen dann Bodenproben aus den obersten 15 Zentimetern des Waldbodens und prüften, wie viel neuer und alter Kohlenstoff im Humus enthalten war. In Laborexperimenten testeten sie zudem, wie viel Kohlendioxid diese Bodenproben bei verschiedenen Temperaturen abgaben. Das Ergebnis: 70 Prozent des Kohlenstoffs bis in 15 Zentimeter Tiefe war mehr als zehn Jahre alt. Dieser alte Kohlenstoff machte immerhin rund 30 Prozent des beim Erwärmen freigesetzten CO2 aus.

„Überraschenderweise nahm dabei die Zersetzung des alten Kohlenstoffs mit steigender Temperatur genauso – oder sogar noch stärker – zu, wie beim jungen Kohlenstoff“, sagt Studienleiterin Susan Trumbore. Diese Erkenntnis könnte nun helfen, Klimamodelle zu verbessern. Denn die bisherigen Modelle können noch nicht vorhersagen, wie viel Bodenkohlenstoff beispielsweise in den nächsten hundert Jahren freigesetzt wird.