Effekt des Klimawandels auf die Bodenatmung

Die Vorhersage der Kohlenstoff(C)bilanz von Wäldern bei geänderten Klimabedingungen ist eine komplexe Aufgabe. Es bedarf des Verständnisses des Abbaus der organischen Substanz (SOM) im Boden wie etwa der Temperatur- und Feuchtigkeitsempfindlichkeit und der Substratqualität für Bodenmikroorganismen. Für eine Abschätzung der künftigen C-Speicherung in Waldökosystemen ist die Kenntnis der langfristigen Entwicklung des organischen Boden-Kohlenstoffvorrats entscheidend. Erhöhte Bodentemperaturen ermöglichen den Bodenmikroorganismen die organische Substanz schneller abzubauen. Das führt zu einer erhöhten Freisetzung von Bodenkohlenstoff in Form von CO 2 (Bodenatmung). Sobald der leicht abbaubare Bodenkohlenstoff verbraucht ist, kann sich der temperaturbedingte Anstieg der Bodenatmung längerfristig wieder abschwächen. Die Rolle der Bodenmikroorganismen in diesem Zusammenhang ist noch nicht geklärt. So würde eine Verschiebung von einer bakterien-dominierten Gemeinschaft zu einer pilz- dominierten Gemeinschaft den Umsatz schwer abbaubaren organischen Materials fördern und den Effekt einer Erwärmung auf die CO 2 -Emission verstärken. Andererseits kann die physiologische Anpassung von Mikroorganismen an geänderte Umweltbedingungen den Temperatureffekt abschwächen. Eine weitere Unsicherheit ist die mikrobielle Aktivität im Winter und die damit verbundene CO 2 -Ausgasung aus dem Boden. Gerade in wenig produktiven Bergwäldern stellt die winterliche CO 2 -Emission einen beträchtlichen Teil des C- Flusses des ganzen Jahres dar. Neben der Bodentemperatur wirken sich auch Veränderungen der Niederschlagsmenge bzw. der zeitlichen Verteilung des Niederschlags unmittelbar auf den Bodenkohlenstoff-Umsatz aus. Klimasimulationen sagen für das Untersuchungsgebiet trockenere Sommer, mehr Niederschlag im Winter und eine Verlängerung der Schneedeckendauer vorher. Diese Effekte könnten den stimulierenden Effekt des Temperaturanstieges auf die Bodenatmung abschwächen. In unserer Studie soll ein bereits bestehendes Bodenerwärmungsexperiment adaptiert werden um die CO 2 - Emissionen aus dem Boden unter verschiedenen Niederschlagsszenarien auf Kontrollflächen und Erwärmungsflächen zu messen. Während der Vegetationsperiode beträgt die Temperaturerhöhung auf den Erwärmungsflächen konstante 3C. Mit einer Dachkonstruktion soll im Sommer temporär eine Dürreperiode erzeugt werden. Erhöhter Niederschlag im Spätwinter wird durch Schneezugabe auf die Versuchsflächen simuliert. Die bestehende Versuchsanordnung ermöglicht die Unterscheidung zwischen autotropher und heterotropher Bodenatmung. Die Organismen, die für die heterotrophe Atmung zuständig sind, werden mit molekularen Methoden der Mikrobiologie untersucht. Die Ergebnisse des Experiments werden zeigen, ob die Böden von Bergwäldern in einer wärmeren Umwelt eine potentielle Quelle oder doch eine Senke von C sind. Ergebnisse dieser Art sind die Grundlage für die Budgetierung der terrestrischen Treibhausgassenke, die im Rahmen von Klimaschutzabkommen (z.B. Kyoto Protokoll) gefordert wird.

Infolge des globalen Klimawandels werden verschiedenste Wald-Ökosysteme schon in naher Zukunft auf sich verändernde klimatische Bedingungen reagieren. In Wäldern werden Pflanzen, Tiere, aber auch Böden von Veränderungen in Temperatur und Niederschlag beeinflusst werden. Der Waldboden stand im Zentrum der durchgeführten Untersuchungen. Um einen Temperaturanstieg zu simulieren, wurde der Waldboden während der Vegetationszeit um 4 C erwärmt. Mit Hilfe von Dachkonstruktionen wurde zusätzlich eine 3-4 wöchige Trockenzeit im Sommer simuliert. Diese Vorgehensweise wurde gewählt, weil Klimamodelle sowohl höhere Temperaturen als auch trockenere Sommer für das Studiengebiet prognostizierten. Waldböden speichern große Mengen an Kohlenstoff. Der Kohlenstoff im Boden besteht aus organischen Bestandteilen wie z.B. toten Blättern oder bis zu tausende Jahre altem Humus. Die organischen Bestandteile werden langsam von Boden- Mikroorganismen abgebaut, wobei CO 2 aus dem Boden freigesetzt wird. Weil die Abbaurate temperaturabhängig ist, besteht die Befürchtung, dass unter wärmeren Bedingungen mehr CO 2 freigesetzt wird. Diese Befürchtung wurde durch die Ergebnisse der Studie bestätigt. Die Erwärmung um 4 C resultierte in einer 33 - 40 % prozentigen Erhöhung der CO 2 -Emissionen. Im Jahr 2010 war CO 2 Ausstoß auf den beheizten Flächen um ca. 2.5 t Kohlenstoff pro Hektar höher als auf den Kontrollflächen; eine Zunahme ähnlich wie zu Beginn des Experiments im Jahr 2005. Es ist daher wahrscheinlich, dass der untersuchte Waldboden infolge der Klimaerwärmung hohe Mengen an Kohlenstoff an die Atmosphäre abgeben wird. Zumindest kurz- oder mittelfristig ist keine Akklimatisation an gestiegene Temperaturen zu erwarten. Anders sah die Situation allerdings aus wenn die Bodenerwärmung mit einer Reduktion des Sommer-Niederschlags verbunden war. Besonders auf erwärmten Flächen trocknete der Boden stark aus, was eine drastische Reduktion der CO 2 -Freisetzung bewirkte. Der Rückgang der CO 2 -Emissionen war so stark, dass die stimulierenden Effekte der Bodenerwärmung komplett (2008) oder zumindest teilweise (2009) kompensiert wurden. Bei gleichzeitiger Erwärmung und Reduktion der Sommer-Niederschläge ist daher von annähernd gleichbleibenden CO 2 -Emissionen aus dem untersuchten Waldboden auszugehen. Besonderes Augenmerk wurde auf die Auswirkungen der Erwärmung auf die Struktur und Zusammensetzung der Mikroorganismen-Gemeinschaft im Boden gelegt. Überraschend hatte die fünf Jahre dauernde Bodenerwärmung weder Auswirkungen auf die Biomasse, die Zusammensetzung, noch auf die Struktur der Organismen- Gemeinschaften. Nur ihre metabolische Aktivität war signifikant erhöht. Bis jetzt konnte keine Anpassung der Mikrobiellen-Gemeinschaft an wärmere Bedingungen festgestellt werden. Dies kann sich allerdings in den nächsten Jahren ändern. Deshalb, und weil Langzeit-Versuche unabdingbar sind um seriöse Aussagen über Veränderungen im Boden-Kohlenstoff zu machen, wird der Versuch um vier Jahre verlängert.