Erderwärmung – aus Senken werden CO2-Quellen

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Vielleicht schon bald, wenn wir so weitermachen…

Die Fähigkeit der Festlandsvegetation, fast ein Drittel der anthropogenen CO2-Emissionen zu absorbieren, könnte sich angesichts der derzeitigen Erwärmungsrate innerhalb der nächsten zwei Jahrzehnte halbieren, so die Untersuchung „How close are we to the temperature tipping point of the terrestrial biosphere?“ in Science Advances von Forschern des Center for Ecosystem Science and Society der Northern Arizona University (NAU) und der . Der kritische Temperaturkipppunkt rückt näher, jenseits dessen die Fähigkeit der Pflanzen, atmosphärischen Kohlenstoff aufzunehmen und zu speichern abnimmt.

Fast die Hälfte der terrestrischen Ökosysteme könnte diesen Kipppunkt in nur wenigen Jahrzehnten erreichen, sagt NAU-Forscherin Katharyn Duffy, Hauptautorin der Science Advances-Untersuchung. Noch speichern die landbasierten Ökosysteme der Welt mehr CO2, als sie freisetzen – schätzungsweise ein Drittel aller Kohlenstoffemissionen, die der Mensch durch die Verbrennung fossiler Energieträger produziert. Das macht natürliche Ökosysteme zu einer Schlüsselressource im Kampf gegen den Klimawandel. Duffy und ihre Kollegen befürchten jedoch, dass steigende Temperaturen das empfindliche Gleichgewicht zwischen Kohlenstoffein- und -ausstoß stören könnten.

Sowohl Photosynthese als auch Pflanzenatmung beginnen abzunehmen, wenn es heiß genug wird – doch die Photosynthese schon bei viel niedrigeren Temperaturen als die Atmung – sie erreicht ihren Höhepunkt im Allgemeinen zwischen 64 und 82 Grad Celsius, je nach Pflanzenart. Wenn die Photosynthese ab-, während die Dunkelatmung weiter zunimmt, können Ökosysteme beginnen, mehr Kohlenstoff freizusetzen als sie aufnehmen.

Regenwald, Rio Napo, Ecuador – Foto © Gerhard Hofmann für Solarify

„Viele Länder verlassen sich auf die Biosphäre, um einen Teil ihrer Emissionen auszugleichen“, sagt Duffy. „Und diese Studie zeigt, dass dieser Ausgleich viel zerbrechlicher ist, und dass wir viel näher an einem potenziellen Klima-Kipppunkt sind, als wir bisher wahrgenommen haben.“

Für ihre Analyse nutzten sie die Daten von FLUXNET – einem globalen Netzwerk von Messtürmen, die den Austausch von Kohlendioxid, Wasserdampf und Energie zwischen Biosphäre und Atmosphäre detektieren. Mithilfe dieser Daten ermittelten die Wissenschaftler für jeden Turmstandort, wie sich die Photosynthese und die Pflanzenatmung abhängig von den Temperaturen zwischen 1991 und 2015 veränderten. Ausgehend von den aktuellen CO2-Emissionen und der dadurch wahrscheinlichen Erwärmung, kalkulierten Duffy und ihre Kollegen den CO2-Haushalt der Pflanzen bis zum Ende dieses Jahrhunderts. Die Analysen ergaben, dass große CO2-Senken – etwa Regen- und Taigawälder – bereits bis Mitte des Jahrhunderts mehr als 45 Prozent ihrer Fähigkeit zur Kohlenstoffspeicherung verlieren könnten. Ende des Jahrhunderts würde demnach sogar die kritische Temperatur überschritten, ab der etwa die Hälfte aller Landökosysteme schneller CO2 in die Atmosphäre abgeben als speichern – den als „Land-Kohlenstoffsenke“ bezeichneter kumulativer Effekt.

Das ist nicht die einzige schlechte Nachricht, warnen die Autoren. In den vergangenen Jahren hätten Wissenschaftler die Theorie aufgestellt, dass Pflanzen in der Lage sein könnten, sich im Laufe der Zeit an die globale Erwärmung anzupassen – vielleicht, um bei höheren Temperaturen Photosynthese zu betreiben. Da Pflanzen Kohlendioxid für die Photosynthese benötigen, könnte ein steigender CO2-Gehalt ihnen theoretisch einen Schub geben. Die neue Studie deute darauf hin, dass dies bisher nicht geschehen sei. Vielmehr habe der steigende Kohlendioxidgehalt nicht geholfen. Viele Experten hatten denn auch davor gewarnt, dass dieser Nutzen durch die negativen Auswirkungen des Klimawandels aufgewogen wird. Bis jetzt scheinen die Daten diese Idee zu unterstützen.

„Die Erde hat stetig wachsendes Fieber“, sagt Duffy, „und ähnlich wie beim menschlichen Körper wissen wir, dass jeder biologische Prozess einen Temperaturbereich hat, bei dem er optimal funktioniert, und einen, oberhalb dessen die Funktion nachlässt. Also wollten wir fragen, wie viel können Pflanzen aushalten?“

Erste weltweit Untersuchung der Temperaturschwelle

Diese Studie ist die erste, die eine Temperaturschwelle für die Photosynthese aus Beobachtungsdaten auf globaler Ebene ermittelt. Während Temperaturschwellen für die Photosynthese und die Atmung im Labor untersucht wurden, bieten die Fluxnet-Daten einen Einblick in das, was die Ökosysteme auf der Erde tatsächlich erleben und wie sie darauf reagieren.

„Wir wissen, dass das Temperaturoptimum für den Menschen bei 37 °C liegt“, sagte Duffy, „aber wir in der wissenschaftlichen Gemeinschaft wussten nicht, was diese Optima für die terrestrische Biosphäre sind.“ Sie hat sich mit zwei Forschern der University of Waikato in Neuseeland zusammengetan, die kürzlich einen neuen Ansatz zur Beantwortung dieser Frage entwickelt haben: Die MacroMolecular Rate Theory (MMRT). Mit ihrer Grundlage in den Prinzipien der Thermodynamik erlaubte die MMRT den Forschern, Temperaturkurven für jedes größere Biom und den gesamten Globus zu erstellen.

Die Ergebnisse waren alarmierend. Die Forscher fanden heraus, dass die Temperatur-„Spitzen“ für die Kohlenstoffaufnahme – 18° C für die weit verbreiteten C3-Pflanzen und 28° C für C4-Pflanzen – in der Natur bereits überschritten werden, sahen aber keine Temperaturkontrolle für die Atmung. Das bedeutet, dass in vielen Biomen bei fortgesetzter Erwärmung die Photosynthese abnehmen wird, während die Atmungsraten exponentiell ansteigen, was das Gleichgewicht der Ökosysteme von der Kohlenstoffsenke zur Kohlenstoffquelle kippen und den Klimawandel beschleunigen wird.

„Die verschiedenen Pflanzenarten unterscheiden sich in den Details ihrer Temperaturreaktionen, aber alle zeigen einen Rückgang der Photosynthese, wenn es zu warm wird“, sagt NAU-Mitautor George Koch. Im Moment erleben weniger als 10 Prozent der terrestrischen Biosphäre Temperaturen jenseits dieses photosynthetischen Maximums. Aber bei der derzeitigen Emissionsrate könnte bis zur Hälfte der terrestrischen Biosphäre bis Mitte des Jahrhunderts Temperaturen jenseits dieser Produktivitätsschwelle erfahren – und einige der kohlenstoffreichsten Biome der Welt, einschließlich der tropischen Regenwälder im Amazonasgebiet und in Südostasien und der Taiga in Russland und Kanada, werden unter den ersten sein, die diesen Kipppunkt erreichen.

„Das Auffälligste, was unsere Analyse zeigte, ist, dass die Temperaturoptima für die Photosynthese in allen Ökosystemen so niedrig waren“, sagt Vic Arcus, Biologe an der University of Waikato und Mitautor der Untersuchung. „In Kombination mit der erhöhten Atmungsrate der Ökosysteme bei den von uns beobachteten Temperaturen deuten unsere Ergebnisse darauf hin, dass jeder Temperaturanstieg über 18° C potenziell schädlich für die terrestrische Kohlenstoffsenke ist. Wenn wir die Erwärmung nicht eindämmen, um auf oder unter den im Pariser Klimaabkommen festgelegten Werten zu bleiben, wird die terrestrische Kohlenstoffsenke nicht mehr in der Lage sein, unsere Emissionen auszugleichen und uns Zeit zu verschaffen.“

Andere Untersuchungen weiten Bedrohungsursachen aus

Die neue Untersuchung konzentrierte sich zwar auf die Beziehung zwischen Photosynthese und Atmung. Aber es gibt noch viele andere Faktoren, die dazu führen können, dass ein Ökosystem anfängt, Kohlenstoff freizusetzen – vor allem große Störungen wie Abholzung, Waldbrände oder Dürren. Tatsächlich haben andere aktuelle Untersuchungen schon davor gewarnt, dass auch diese Störungen die globale Kohlenstoffsenke bedrohen. Eine kürzlich durchgeführte Arbeit fand heraus, dass die weltweiten Graslandschaften jetzt so viel Kohlenstoff produzieren, wie sie aufnehmen, hauptsächlich aufgrund von Landnutzungsänderungen und der Ausweitung der Landwirtschaft (siehe: eenews.net/1063721855). Andere prangerten mehrfach an, dass die Abholzung der Kohlenstoffsenken tropischer Wälder auf der ganzen Welt zunehmend Schaden anrichtet.

Es gibt zwar immer noch Grund zur Hoffnung. Doch die neue Forschungsarbeit sollte als Warnung dienen, dass die natürlichen Kohlenstoffsenken der Welt nicht unbesiegbar sind, merkte Duffy an: „Wir müssen uns der Zerbrechlichkeit der Ökosystemleistungen bewusst sein – nicht nur der Kohlenstoffbindung, sondern einer ganzen Reihe weiterer Leistungen, welche die Biosphäre erbringt“, sagte sie. „Denn sie ist ein lebender, atmender Teil unseres Planeten.“

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