ClimGrass: Grasland-Kohlenstoffdynamik im Klimawandel

Das beantragte Projekt ClimGrass: ClimGrass: Grasland-Kohlenstoffdynamik im Klimawandel hat zum Ziel, die einzelnen und kombinierten Auswirkungen von Klimaerwärmung, erhöhten atmosphärischenCO2-Konzentrationen undWetterextremen auf die Produktivität, den ökosystemaren CO2-Austausch und die Umsätze von Kohlenstoff (C) im Boden von Grünland zu untersuchen. ClimGrass soll dazu in einem einzigartigen Ansatz nichtlineare und nicht-additive Effekte des Klimawandels quantifizieren und die Auswirkungen von extremer Dürre und Hitzewellen unter aktuellen und künftigen Klimaverhältnissen analysieren. Die detaillierte Prozessanalyse umfasst neben der Produktivität und dem Streuabbau sämtliche ökosystemaren CO2-Flusskomponenten, einschließlich der autotrophen und heterotrophen sowie der vertikalen Verteilung der CO2- Produktion im Boden. ClimGrass fokussiert dabei besonders auf die C-Allokation von den Pflanzen in den Boden und deren Konsequenzen für unterirdische Prozesse, darunter die mikrobielle C- Nutzungs-Effizienz und der Umsatz von organischem C im Boden. Dazu sollen stabile Isotope als Marker eingesetzt weren, die in Puls-Markierung-Experimenten bzw. durch eine kontinuierliche Veränderung der C-Isotopenzusammensetzung von atmosphärischem CO2 die Verlagerung und den Umsatz des frisch assimilerten C im Pflanzen-Boden-System verfolgen und seinen Einfluss auf die C- Speicherung im Boden abschätzen lassen. ClimGrass stellt somit die erste umfassende prozessbasierte Analyse von Auswirkungen des Klimawandels und erhöhten atmosphärischen CO2- Konzentrationen auf die C-Dynamik in einem C3-Grasland dar, einem in Europa weit verbreiteten und in vielen Regionen sozio-ökonomisch relevanten Ökosystemtyp. Indem ClimGrass neue Erkenntnisse zu den Mechanismen liefert, die die Produktivität und C-Umsätze im globalen Wandel bestimmen, wird das Projekt wesentlich zum Verständnis der Auswirkungen von Klimaerwärmung, erhöhten atmosphärischen CO2-Konzentrationen und Wetterextremen auf Ökosystemdienstleistungen beitragen.

Zukünftige Klimaszenarien lassen erwarten, dass es in den kommenden Jahrzehnten aufgrund steigender atmosphärischer CO2-Konzentrationen zu einer weiteren deutlichen Klimaerwärmung und einem gehäuften Auftreten von extremen Dürreereignissen kommt. Die kombinierten Auswirkungen dieser drei wichtigen Faktoren des globalen Wandels auf Ökosysteme sind bislang unzureichend erforscht, aber von großem Interesse, da Änderungen des terrestrischen Kohlenstoffkreislaufs zu unmittelbaren Rückkoppelungen mit dem Klima führen können. Das ClimGrass-Projekt hatte zum Ziel, die Auswirkungen verschiedener Kombinationen von Erwärmung und erhöhtem CO2 auf die Kohlenstoffdynamik in bewirtschaftetem Grünland experimentell zu untersuchen. Darüber hinaus wurde im Rahmen von ClimGrass getestet, wie sich Dürre unter aktuellen und künftigen Klimabedingungen auf die Produktivität und Kohlenstoffdynamik von Grünland auswirkt. Die unterschiedlichen Kombinationen von schwacher und starker experimenteller Erwärmung und CO2-Begasung führten zu stark nicht-linearen Veränderungen der ober- und unterirdischen Produktivität und der spezifischen Wurzellänge. Auch die mikrobielle Nutzung von Kohlenstoff für Wachstum und Atmung reagierte auf die Kombination dieser Umweltfaktoren nicht-linear und veränderte sich saisonal. Anhand von Pulsmarkierungs-Experimenten mit stabilen Isotopen konnte gezeigt werden, dass in einem wärmeren Klima bei erhöhtem CO2 ein höherer Anteil des durch die Photosynthese aufgenommen Kohlenstoffs zu bakteriellen Bodengemeinschaften verlagert und im Boden veratmet wurde. In einem derartigen künftigen Klima war die Einschränkung der Kohlenstoffdynamik (Photosynthese und Atmung, und die Akkumulation von frisch assimiliertem Kohlenstoff in Wurzeln und der Rhizosphäre) bei Dürre deutlich ausgeprägter. Zugleich erholte sich in einem künftigen Klima die Kohlenstoffdynamik rascher von Sommerdürre als bei aktuellen Klimabedingungen. Erwärmung und erhöhtes CO2 führten auch dazu, dass sich im Bodenprofil die größte Atmungsaktivität in tiefere Bodenschichten verlagerte, was durch Dürre weiter verstärkt wurde. Dürre hatte einen größeren Einfluss auf die Gemeinschaftsstruktur der nitrifizierenden Mikroorganismen und deren Aktivität als Klima-Erwärmung und erhöhtes CO2. Eine Erhöhung der Nitrifizierung bei Wiederbefeuchtung nach Dürre kann die Stickstoffversorgung und einen raschen Wiederaufwuchs der Vegetation begünstigen. Um die Ergebnisse des ClimGrass-Experiments mit jenen anderer Dürrestudien vergleichen zu können wurde ein konzeptueller Ansatz entwickelt, der die Resistenz und die Erholungsrate eines Systems in Bezug auf klimatische Extremereignisse zugleich berücksichtigt. Zusammenfassend lässt sich aus dem ClimGrass-Projekt schließen, dass Erwärmung, erhöhte atmosphärische CO2-Konzentrationen und Dürre interaktive, nicht-lineare Auswirkungen auf die Kohlenstoffdynamik von Grünland haben und dass in einem künftigen Klima der Kohlenstoffhaushalt durch Dürreereignisse stärker beeinflusst wird als bei aktuellen Klimaverhältnissen, sich aber vergleichsweise rascher erholt.