Abbau alter Böden verstärkt den Klimawandel

Erwärmung beschleunigt die Freisetzung von Kohlendioxid aus organischem Material, das sich schon länger als zehn Jahre im Boden befindet

Die Erderwärmung verstärkt sich durch Rückkopplungen selbst. Dazu zählt auch, dass Bakterien und Pilze bei höheren Temperaturen schneller kohlenstoffhaltige Substanzen im Boden abbauen und das Treibhausgas Kohlendioxid freisetzen. Wie ein internationales Team um Forscher des Max-Planck-Instituts für Biogeochemie in Jena nun festgestellt hat, gilt das auch für organisches Material, das schon länger als zehn Jahre im Boden überdauert hat. Das haben die Forscher in einem aufwendigen Experiment herausgefunden, in dem sie bewaldete Parzellen zehn Jahre lang mit isotopenmarkiertem Kohlendioxid begasten. Dieses enthielt eine andere Kombination unterschiedlich schwerer Kohlenstoffmoleküle als das Kohlendioxid der Atmosphäre. Daher konnten die Forscher das Alter des organischen Materials, das vor allem in Form von Pflanzenresten in den Boden gelangt und dort zersetzt wird, unterscheiden. In den oberen 15 Zentimetern des Bodens sind etwa zwei Drittel der kohlenstoffhaltigen Substanzen älter als zehn Jahre.

Böden speichern etwa doppelt so viel Kohlenstoff, wie die Atmosphäre in Form von Kohlendioxid enthält. Der Kohlenstoff zirkuliert dabei in einem immerwährenden Kreislauf durch das Erdsystem: Pflanzen nehmen Kohlendioxid auf und bauen daraus komplexe Moleküle, die auch am Anfang der tierischen Nahrungskette stehen. Über abgestorbene Tiere und Pflanzen gelangt der Kohlenstoff auf und in den Boden. Vor allem solange das organische Material in der oberen Bodenschicht verweilt, zersetzen Bakterien und Pilze die Biomasse kontinuierlich wieder zu Kohlendioxid (CO2). Nur ein Teil der kohlenstoffhaltigen Substanzen bleibt längerfristig im Boden und wird so dem Kreislauf entzogen. 

Doch der Anteil des Kohlenstoffs, der langfristig aus der Luft in den Boden verschwindet, dürfte im Laufe des Klimawandels sinken, weil höhere Temperaturen den Abbau der kohlenstoffhaltigen Substanzen beschleunigen. Und die Erderwärmung könnte auch den Abbau des organischen Materials, das bereits länger als zehn Jahre im Boden liegt, ankurbeln – vielleicht sogar stärker als die Zersetzung jüngeren organischen Materials. Das hat ein Team aus Forschern des Max-Planck-Instituts für Biogeochemie, der University of California in Irvine und Berkeley und des Lawrence Berkeley National Laboratory, ebenfalls in Kalifornien, festgestellt. Bislang wussten Klimaforscher nur, dass jüngerer Kohlenstoff unter wärmeren Bedingungen schneller zersetzt wird.

Zwei Drittel des Kohlenstoffs gelangten vor über zehn Jahren in den Waldboden

„Für die Entwicklung des Klimas könnte dies gravierende Folgen haben“, sagt Susan E. Trumbore, Direktorin am Jenaer Max-Planck-Institut und Leiterin der Studie: „Die Klimaerwärmung kann eine verstärkte CO2-Freisetzung aus dem Boden in die Atmosphäre verursachen, was wiederum über den Treibhauseffekt des CO2 zur weiteren Erwärmung führt.“ Erwärmung und CO2-Freisetzung aus dem Boden würden sich in einer positiven Rückkopplung also gegenseitig verstärken.

Dass älteres organisches Material im Boden genauso wie jüngeres bei steigenden Temperaturen schneller abgebaut wird, beobachtete das Forscherteam um Susan Trumbore in einem ausgeklügelten Experiment. Sie analysierten Bodenproben aus Waldstücken in Aspen im Bundesstaat Wisconsin, und Duke in North Carolina, nachdem diese über 10 Jahre kontinuierlich mit Kohlendioxid begast worden waren, dessen isotopischer Fingerabdruck sich von dem des atmosphärischen Kohlendioxids unterschied. Das heißt, in ihm mischten sich die drei unterschiedlich schweren Kohlenstoff-Isotope C-12, C-13 und C-14 in einem anderen Verhältnis. Aufgenommen durch Photosynthese, gelangte der isotopisch markierte Kohlenstoff durch abgestorbene Pflanzenteile in den Boden und ermöglichte es den Forschern, das im Laufe des Experiments eingelagerte Material von älterem zu unterscheiden.

Zu diesem Zweck nahmen die Forscher Bodenproben aus bis zu 15 Zentimetern Tiefe und analysierten zunächst die Altersstruktur seines organischen Inhalts. „Demnach wurden zwei Drittel des Kohlenstoffs schon vor über 10 Jahren im Waldboden gebunden“, sagt die federführende Autorin Francesca M. Hopkins, Doktorandin an der University of California, Irvine und Gastwissenschaftlerin am Max-Planck-Institut für Biogeochemie. „Damit haben wir die Ergebnisse anderer Studien in gemäßigten, aber auch tropischen Breiten bestätigt, die das Altersprofil des abgelagerten Kohlenstoffs abschätzten.“

Der größte Teil des Kohlenstoffs wir bei einer Erwärmung verstärkt freigesetzt

Zudem untersuchten die Forscher, wie sich die Zersetzungsrate des älteren organischen Materials bei steigender Temperatur im Vergleich zum jüngeren ändert. Dafür analysierten sie sowohl den Anteil des C-13-Kohlenstoffs als auch den des C-14-Kohlenstoffs im Kohlendioxid, das aus den Bodenproben entwich. Dabei setzten sie die Bodenproben im Labor jeweils drei unterschiedlichen Temperaturen aus: Für die Proben aus Aspen wählten sie als niedrigste Temperatur fünf Grad Celsius, bei denen aus Duke fingen sie mit 15 Grad an, was jeweils der Temperatur im Mittel eines Jahres an den beiden Orten entspricht. Zusätzlich analysierten sie die Zersetzung der Proben von beiden Orten bei zwei jeweils um zehn Grad höheren Temperaturen.

Aus der Untersuchung ergab sich, dass etwa 30 Prozent des freigesetzten Kohlendioxids von Material stammte, das sich schon länger als zehn Jahre im Boden befand. „Die Zersetzung des alten organischen Materials mit steigender Temperatur nahm also genauso stark – oder sogar noch stärker – zu wie die des jüngeren“, sagt Susan Trumbore. Auf eine stärkere Beschleunigung des Abbaus von alter Biomasse deuten die Analysen des C-14-Kohlenstoffs. „Mit Ausnahme geringer, sehr alter Kohlenstoff-Vorräte, die vor Jahrhunderten und Jahrtausenden im Boden abgelagert wurden, wird also der überwiegende Teil, nämlich 50 bis 95 Prozent des organisch gebundenen Kohlenstoffs im Boden durch Erwärmung verstärkt als CO2 freigesetzt“, so Susan Trumbore.

Warum die Freisetzung älteren Kohlenstoffs bei Erwärmung mindestens genauso stark zunimmt wie die von jüngerem, ist noch nicht klar. Die Forscher um Susan Trumbore diskutieren daher gemeinsame Mechanismen, wie Kohlendioxid nach einer Erwärmung freigesetzt wird: Zum einen könnten die höheren Temperaturen den Stoffwechsel der Bodenmikroben anheizen. Zum anderen könnten sie mehr organisches Material in eine Form bringen, in der die Mirkoorganismen es abbauen können. Beiden Mechanismen wollen die Jenaer Max-Planck-Forscher in weiteren Projekten nachgehen. Darüber hinaus möchten sie sich künftig auch anderen Rückkopplungsmechanismen widmen, die den Klimawandel verstärken könnten. So wollen sie herausfinden, in welchem Maße in der sibirischen Tundra mit dem Klimawandel Kohlendioxid und das noch stärkere Treibhausgas Methan aus bislang permanent gefrorenen Böden entweichen und dem Treibhaus Erde zusätzlich einheizen.

EF/PH