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13.01.2021

Land-Ökosysteme schon bald Kohlenstoff-Quellen statt -Senken?

Anlass

Weltweit könnten die terrestrischen Ökosysteme schon in wenigen Jahrzehnten ihre Rolle als CO2-Senken verlieren und stattdessen zu Kohlendioxid-Quellen werden. Zu diesem Ergebnis kommt ein Team um Katharyn Duffy und sieht die Land-Ökosysteme in ihrer Funktion als Kohlenstoffspeicher auf einen Tipping Point zulaufen.

Die Land-Ökosysteme der Erde spielen eine wichtige Rolle beim Klimawandel. Sie nehmen etwa 30 Prozent der menschengemachten CO2-Emissionen auf und sind somit eine enorm wichtige Kohlenstoff-Senke. Die wichtigste Wechselwirkung zwischen Atmosphäre und Land spielt sich über die Vegetation ab. Für die CO2-Bilanz dieser Systeme sind vor allem zwei Prozesse von Bedeutung: Bei der Fotosynthese absorbieren die Pflanzen das Treibhausgas, wandeln es in Biomasse um und speichern so den Kohlenstoff. Bei der Atmung dagegen setzen die Pflanzen das Gas wieder frei. Beide Prozesse sind abhängig von der Temperatur. Während der Stoffwechselvorgang Atmung bei steigenden Temperaturen immer schneller abläuft und damit zunehmend mehr CO2 in die Atmosphäre abgegeben wird, erreicht die Fotosynthese-Leistung einen Schwellenwert. Ab dieser Temperatur sinkt die Fotosynthese-Leistung. Somit können steigende Temperaturen dazu führen, dass mehr CO2 abgeatmet als über die Fotosynthese gespeichert wird.

Das Team um Katharyn Duffy analysierte für seine Studie Aufzeichnungen des Messnetzes FLUXNET [I], einem globalen Netzwerk von Mess-Türmen, die den Austausch von Kohlendioxid, Wasserdampf und Energie zwischen Biosphäre und Atmosphäre messen. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler bestimmten Fotosynthese- und Atmungsänderungen, die ausschließlich auf Temperaturänderungen an jedem Flux-Tower-Standort zurückzuführen sind. Dabei kommen sie zu dem Ergebnis, dass die Ökosysteme, die am meisten Kohlenstoff speichern – etwa Regen- und Taigawälder –, bereits bis Mitte des Jahrhunderts mehr als 45 Prozent ihrer Fähigkeit zur Kohlenstoffspeicherung verlieren könnten. Bis zum Jahr 2100 würde dann bis zur Hälfte der Landökosysteme den Kipppunkt erreichen, ab dem die Pflanzen Kohlenstoff schneller in die Atmosphäre abgeben als sie ihn binden.

Die Experten, die sich auf unsere Anfrage zurückgemeldet haben, äußern sich in Teilen sehr skeptisch zur Belastbarkeit der Studie, die am 13.01.2021 im Fachjournal „Science Advances“ erschienen ist (siehe Primärquelle).

Übersicht

     

  • Prof. Dr. Stefan Arndt, Professor of Physiological and Ecosystem Ecology, The University of Melbourne, Australien
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  • Prof. Dr. Markus Reichstein, Direktor Department Biogeochemical Integration, Max-Planck-Institut für Biogeochemie, Jena
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  • Prof. Dr. Wolfgang Buermann, Lehrstuhlinhaber Physische Geographie mit Schwerpunkt Klimaforschung, Institut für Geographie, Universität Augsburg
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  • Jun.-Prof. Dr. Matthias Forkel, Professor für Umweltfernerkundung, Institut für Photogramme­trie und Fernerkundung, Department für Geowissenschaften, Technische Universität Dresden
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Statements

Prof. Dr. Stefan Arndt

Professor of Physiological and Ecosystem Ecology, The University of Melbourne, Australien

„Wir arbeiten hier in Australien an ähnlichen Themen, und eine meiner Doktorandinnen hat in einer Studie, die demnächst erscheinen wird, ähnliche Fragen für australische Ökosysteme untersucht. Wir haben ebenfalls Eddy-Kovarianz-Daten verwendet (Messtechnik zur Messung und Berechnung vertikaler Atmosphärenflüsse; Anm. d. Red.), auch die Fluxnet-2015-Daten, aber auch andere Daten des australischen OzFlux-Networks. Unsere Analyse verwendet allerdings andere Methoden als die hier vorliegende Studie, um das Verhältnis von Brutto-Primärproduktivität (gesamte, durch Primärproduzenten erzeugte Biomasse inklusive der Atmungsverluste; Anm. d. Red.) und Temperatur zu untersuchen.“

„Im Endeffekt können wir zeigen, dass die Brutto-Primärproduktivität der australischen Wälder sehr von der Temperatur abhängig ist, der jedes Ökosystem ausgesetzt ist. Sprich: Jedes Ökosystem hat ein Temperatur-Optimum, das nahe der Jahres-Durchschnittstemperatur für das jeweilige Ökosystem liegt. Das legt eine Anfälligkeit gegenüber Temperatur-Erhöhungen nahe. Allerdings ist die Beziehung zwischen Lufttemperatur und Brutto-Primärproduktivität sehr breit für die meisten Ökosysteme der gemäßigten Breiten – also nur wenig Änderungen der Brutto-Primärproduktivität mit veränderter Lufttemperatur – und eher eng für tropische Wälder und Savannen – als mit starken Änderungen der Brutto-Primärproduktivität bei veränderter Lufttemperatur.“

„Das Temperatur-Optimum der Brutto-Primärproduktivität liegt immer unterhalb der Lufttemperatur für alle Wälder. Sprich Erhöhungen der Lufttemperatur gehen mit Erhöhungen der Brutto-Primärproduktivität einher. Wir haben auch ausgerechnet, zu welchen Änderungen der Brutto-Primärproduktivität eine Erhöhung der Tagestemperatur um zwei oder vier Grad führen würde. Bei zwei Grad Tagestemperatur-Erhöhung zeigen alle Wälder eine Erhöhung der Brutto-Primärproduktivität, bei vier Grad zeigten die meisten Systeme eine Erhöhung der Brutto-Primärproduktivität und einige wenige Wälder eine kleine Reduktion (unter fünf Prozent Brutto-Primärproduktivität). Das bedeutet, das eine Temperatur-Erhöhung nur geringe Folgen für die Kohlenstoffbilanz haben sollte. Unsere Studie ist noch nicht veröffentlicht, wird aber im Februar eingereicht.“

„Nun zeigt die hier diskutierte Studie von Duffy et al. das Gegenteil und sagt starke Verluste von Kohlenstoff aus terrestrischen Ökosystemen voraus. Ich finde das wenig glaubhaft und die Ergebnisse der Studie sind wahrscheinlich auf die Aggregierung der Daten und auf die verwendeten Modelle zurückzuführen. Die meisten Ökosysteme operieren nicht am oberen Ende der Temperatur-Kurve. Sprich: Die meiste Zeit des Jahres ist es nicht wirklich so heiß, dass die Brutto-Primärproduktivität kleiner ist die Atmungsverluste und es so zu Kohlenstoff-Verlusten kommt. Wenn man aber die Daten aggregiert und dann die jeweiligen Temperatur-Kurven vergleicht, kann natürlich der Eindruck entstehen, dass das Temperatur-Optimum der Brutto-Primärproduktivität bald überschritten ist und die Atmungsverluste natürlich weiterhin ansteigen. Das sagt aber nichts über den täglichen Kohlenstoffaustausch von Ökosystemen aus, wo aktuelle Tagestemperaturen Brutto-Primärproduktivität und Atmungsverluste beeinflussen. Da ist es sicher eher so, dass die meisten Ökosysteme die meiste Zeit des Jahres nicht Temperaturen ausgesetzt sind, die zu negativen Kohlenstoff-Flüssen führen. Und ist es wohl auch so – wie unsere bald erscheinende Studie zeigt –, dass die Brutto-Primärproduktivität noch Raum nach oben hat im Bezug zur Tagestemperatur.“

Prof. Dr. Markus Reichstein

Direktor Department Biogeochemical Integration, Max-Planck-Institut für Biogeochemie, Jena

„Die Studie geht von der konzeptionell nicht neuen, aber plausiblen Annahme aus, dass die Atmung – also der Kohlenstoffverlust – exponentiell von der Temperatur abhängt, während Fotosynthese ein Optimum hat, und damit ab einer bestimmten Temperatur nicht mehr ansteigt. Daher ‚überholt‘ bei steigender Temperatur irgendwann die Atmung die Fotosynthese. Dies zeigt sich auch in Klima-Kohlenstoffmodellen, aber nur, wenn der CO2-Düngeeffekt im Modell nicht berücksichtigt ist.“

„In der aktuellen Studie wird nun – basierend auf FLUXNET-Daten – ein statistisches Modell verwendet, welches CO2 nicht berücksichtigt und dann in die Zukunft extrapoliert. Andere Faktoren außer Wasserverfügbarkeit wurden auch nicht berücksichtigt. Dies öffnet viele Möglichkeiten für Extrapolationsfehler. Insofern wäre ich den Schlussfolgerungen gegenüber skeptisch, zumindest würde ich sie so nicht aus den Daten ablesen wollen, während der oben beschriebene generelle Effekt bekannt ist.“

Prof. Dr. Wolfgang Buermann

Lehrstuhlinhaber Physische Geographie mit Schwerpunkt Klimaforschung, Institut für Geographie, Universität Augsburg

„Wie auch in der aktuellen Studie beschrieben, nehmen Landökosysteme derzeit 30 Prozent der jährlichen anthropogenen Kohlenstoff-Emissionen auf, und wichtig ist dabei, dass diese Land-Kohlenstoffsenke in den vergangenen fünf bis sechs Jahrzehnten parallel zu den Emissionen stetig gewachsen ist. Der wichtigste Treiber dieser Landsenke ist nach derzeitigem Wissensstand der Anstieg des atmosphärischen CO2, das als Dünger für die terrestrische Vegetation dient.“

„Die Idee, dass die Landsenke in Zukunft möglicherweise weniger stark durch atmosphärische CO2-Konzentrationen angetrieben und stärker durch wärmere Temperaturen beeinflusst wird, gibt es schon seit einiger Zeit [1]. Hierbei markiert das erste Regime (CO2-angetrieben) eine Periode der Stärkung der Landsenke, während das zweite Regime (Temperatur-angetrieben) eine Periode der Schwächung der Landsenke oder sogar eine Umkehr in eine Land-Kohlenstoffquelle sein wird, da bei relativ warmen Temperaturen die Fotosynthese – also die Kohlenstoffaufnahme aus der Atmosphäre – abnimmt mit der Erwärmung, während die Respiration – also der Kohlenstoffverlust an die Atmosphäre – mit der Temperatur zunimmt.“

„In der Vergangenheit wurde der Zeitpunkt dieses Übergangs oder der ‚Tipping Point‘ in Bezug auf das Verhalten der Kohlenstoffsenke, also der Übergang von einer sich verstärkenden zu einer sich abschwächenden Senke, mit Erdsystemmodellen – früher als globale Klimamodelle oder allgemeine Zirkulationsmodelle bezeichnet – abgeschätzt. Aus diesen Schätzungen geht hervor, dass dieser Tipping Point möglicherweise mehr in der zweiten Hälfte dieses Jahrhunderts erreicht wird, wobei diese Schätzungen mit großen Unsicherheiten einhergehen.“

„Diese neue Studie, die weitgehend einen empirischen Ansatz verwendet, bei dem Messungen von Kohlenstoff-Flüssen aus einem globalen Netzwerk und Klimadaten verwendet werden, legt nahe, dass wir diesem Tipping Point viel näher sind: 20 bis 30 Jahre gegenüber 40 bis 70 Jahren basierend auf Erdsystemmodellen [2] – mit wichtigen Auswirkungen auf die Prognosen zum Klimawandel.“

„Dass wir diesem Tipping Point deutlich näher sind, steht auch im Einklang mit weiteren neuen Erkenntnissen, die auf eine Abschwächung des CO2-Düngungseffekts auf die Pflanzenproduktivität hinweisen, möglicherweise aufgrund zunehmender Einschränkungen des verfügbaren Wassers oder wichtiger Nährstoffe [3]. Eine Einschränkung der neuen vorliegenden Studie von Duffy et al. besteht darin, dass eine mögliche Akklimatisierung der pflanzlichen Fotosynthese bei hohen Temperaturen unter den gegenwärtigen – immer noch relativ moderaten – Erwärmungsniveaus möglicherweise nicht richtig abgeschätzt werden kann. Wenn eine solche Akklimatisierung weit verbreitet wäre, Pflanzen also mehr resistent sind gegenüber Erwärmung, würde sich der Tipping Point wieder weiter in die Zukunft verschieben.“

Jun.-Prof. Dr. Matthias Forkel

Professor für Umweltfernerkundung, Institut für Photogramme­trie und Fernerkundung, Department für Geowissenschaften, Technische Universität Dresden

„Die Frage, ob die Landökosysteme zukünftig mehr CO2 aus der Atmosphäre aufnehmen oder CO2 in die Atmosphäre abgeben, ist eine der größten Unbekannten in der zukünftigen Entwicklung des Klimas. Simulationen mit Klimamodellen zeigen, dass einige Modelle eine Zunahme der CO2-Aufnahme simulieren, während andere Modelle eine Zunahme der CO2-Abgabe in den nächsten 20 bis 80 Jahren simulieren. Die aktuelle Studie von Duffy und Kollegen ist sehr informativ, da sie versuchen, erstmals den Einfluss der Temperatur auf zukünftige Änderungen in der Kohlenstoffbilanz von Ökosystemen anhand von Messdaten aus einem weltweiten Beobachtungsnetzwerk abzuschätzen. Obwohl bisherige Kenntnisse aus Simulationen mit globalen Klimamodellen zeigen, dass die Ergebnisse der aktuellen Studie realistisch sein könnten, wirft die Studie doch zahlreiche Fragen auf, da verschiedene andere Prozesse, die die Kohlenstoffbilanz von Ökosystemen beeinflussen, methodisch stark vereinfacht oder gar nicht berücksichtigt wurden.“

„In den vergangenen Jahren gab es einige Studien mit unterschiedlichen Aussagen zu der Frage, ob die Kohlenstoffbilanz von Ökosystemen eher von Änderungen der Temperatur oder von Änderungen der Wasserverfügbarkeit getrieben ist. Beispielsweise wurde gezeigt [4], dass global gesehen die Temperatur der Hauptfaktor für den Kohlenstoffaustausch in Ökosystemen ist. Auf kleinräumigen Skalen gewinnt jedoch die Wasserverfügbarkeit eine viel stärkere Bedeutung. In einer anderen Studie wurde hingegen gezeigt [5], dass Ökosysteme weltweit in trockenen Jahren mehr CO2 abgeben und zu einer Erhöhung der weltweiten CO2-Konzentration beitragen. In der aktuellen Studie von Duffy und Kollegen wurde diese umstrittene Frage zum Effekt der Wasserverfügbarkeit elegant umgangen, indem der Effekt gleich am Anfang für einzelne Stationen mit statistischen Verfahren herausgerechnet wurde. Dies bedeutet aber auch, dass Wechselwirkungen zwischen Temperaturänderungen und deren Einfluss auf die Verdunstung und damit Wasserverfügbarkeit nicht berücksichtigt wurden. Dies macht eine Einordnung der Ergebnisse der Studie schwierig, da die Kohlenstoffbilanz in Ökosystemen ja nicht nur durch die Temperatur gesteuert ist, sondern auch durch die Wasser- und Nährstoffverfügbarkeit, durch die Struktur und Zusammensetzung der Vegetation und durch den vorhandenen Kohlenstoffvorrat in Biomasse und Böden beeinflusst wird.“

„Anderseits sind die Ergebnisse der Studie besorgniserregend, weil andere Faktoren – wie der Effekt von Dürren oder Waldbränden – die nicht berücksichtigt wurden, die Abgabe von CO2 von Ökosystemen an die Atmosphäre noch zusätzlich verstärken können. Dürren reduzieren die CO2-Senkenwirkung von Ökosystemen und verstärken den CO2-Anstieg in der Atmosphäre zusätzlich. Waldbrände verursachen weltweit Emissionen zwischen 1,8 und 3 Petagramm Kohlenstoff pro Jahr (1 Peta = 1015 Gramm; Anm. d. Red.). Da Ökosysteme pro Jahr nur etwa 3,2 Petagramm Kohlenstoff aufnehmen, können also Ökosysteme in Extremjahren von einer Kohlenstoffsenke zu einer Kohlenstoffquelle werden. Langfristig gesehen wächst allerdings Vegetation nach Extremereignissen auch wieder nach, was dann wieder eine erhöhte Aufnahme von CO2 verursacht.“

„Kohlenstoff wird in Ökosystemen entweder in Böden oder in der Biomasse der Pflanzen gespeichert. Aus unserer eigenen Arbeit wissen wir, dass verschiedene Klimavariablen und andere Prozesse für den Umsatz oder ‚turnover‘ von Kohlenstoff in diesen Speichern wichtig sind. Wie sich Temperatur und Wasserverfügbarkeit auf den turnover auswirken, ist jedoch stark von den klimatischen Bedingungen und dem jeweiligen Ökosystem abhängig. Wie jedoch auch die aktuelle Studie zeigt, steigt die Abgabe von Kohlenstoff aus Böden durch die Bodenatmung mit der Temperatur. Daher können alle Maßnahmen, die zu einer Verringerung der Bodentemperatur führen, helfen, Kohlenstoff eher im Boden zu akkumulieren, anstatt ihn abzugeben. Insbesondere die Streuauflage (abgestorbene organische Substanz, die auf dem Boden aufliegt, etwa Laub; Anm. d. Red.) und eine dichte Vegetationsschicht können zu einem kühlen Mikroklima beitragen und damit die Bodenatmung abschwächen. Für die Vegetation gilt, dass Ökosysteme mit einer hohen Artendiversität weniger anfällig für Extremereignisse wie Dürren sind. Daher kann also eine artenreiche Vegetationszusammensetzung dazu beitragen, dass nicht die gesamte Biomasse eines Ökosystems Dürren zum Opfer fällt.“

Angaben zu möglichen Interessenkonflikten

Prof. Dr. Markus Reichstein: „Keine bekannt.“

Prof. Dr. Wolfgang Buermann: „Bei mir liegt kein Interessenskonflikt vor.“

Alle anderen: Keine Angaben erhalten.

Primärquelle

Duffy KA et al. (2021): How close are we to the temperature tipping point of the terrestrial biosphere? Science Advances; 7:eeay1052. DOI: 10.1126/sciadv.aay1052. Link: https://advances.sciencemag.org/lookup/doi/10.1126/sciadv.aay1052.

Literaturstellen, die von den Experten zitiert wurden

[1] zum Beispiel Penuelas J et al. (2017): Shifting from a fertilization-dominated to a warming-dominated period. Nature Ecology & Evolution; 1, 1438-1445. DOI: 10.1038/s41559-017-0274-8.

[2] zum Beispiel Friedlingstein P et al. (2014): Uncertainties in CMIP5 Climate Projections due to Carbon Cycle Feedbacks. Journal of Climate; Vol 27 (2), 511-526. DOI: 10.1175/JCLI-D-12-00579.1.

[3] Wang S et al. (2020): Recent global decline of CO2 fertilization effects on vegetation photosynthesis. Science; Vol 370 (6522), 195-1300. DOI:10.1126/science.abb7772.

[4] Jung M et al. (2018): Compensatory water effects link yearly global land CO2 sink changes to temperature. Nature; 541, 516-520. DOI: 10.1038/nature20780.

[5] Humphrey V et al. (2018): Sensitivity of atmospheric CO2 growth rate to observed changes in terrestrial water storage. Nature; 560, 628–631. DOI: 10.1038/s41586-018-0424-4.

Literaturstellen, die vom SMC zitiert wurden

[I] Webseite des globalen Messnetzwerk FLUXNET