Klimaerwärmung und Kohlenstoffdynamik von Waldböden

Wie sich die Klimaerwärmung auf den organischen Kohlenstoff (C) Pool von Waldböden auswirkt ist noch nicht vollständig geklärt. Höhere Temperaturen regen die Aktivität von Mikroorganismen an. Es wird mehr organischer C umgesetzt und die CO 2 -Emissionen aus dem Boden (Bodenatmung) steigen. Wie stark die Bodenatmung zunimmt, hängt von der verfügbaren Menge des organischen C (Vorrat und Eintrag), dessen chemischer Qualität und der Reaktion der Mikroorganismen auf die Temperaturerhöhung ab. Die Auswirkungen der Erwärmung verändern sich mit der Zeit. Durch die erhöhte Aktivität der Mikroben kann etwa die Verfügbarkeit von leicht abbaubarer org. Substanz mit der Zeit abnehmen. Die Struktur der Mikroorganismen-Gemeinschaft kann sich mit der Zeit verändern bzw. Mikroorganismen können sich physiologisch an höhere Temperaturen anpassen. Beide Prozesse, laufen langsam ab. Kurzfristige Reaktionen auf die Erwärmung weichen daher von langfristigen ab. Um die langfristigen Auswirkungen der Erwärmung auf den C-Kreislauf von Wäldern zuverlässig abschätzen zu können, sind experimentelle Simulationen im Freiland erforderlich. Im Erwärmungs-Experiment "Achenkirch" wird seit 2004 ein Bodentemperaturanstieg um 4C simuliert. Speziell in den ersten Jahren (2004 - 2007) hat die experimentelle Erwärmung den CO 2 Ausstoß aus dem Waldboden stark erhöht (+40%). In den letzten Jahren (2008, 2009) war ein leichter Rückgang des Effekts bemerkbar. Eine Fortführung der Erwärmung ermöglicht uns, langfristige Auswirkungen auf den C-Vorrat im Boden abzuschätzen. Das Experiment ist eines von sehr wenigen in situ Erwärmungs-Experimenten weltweit, in welchem langfristige Trends erforscht werden. Die Verlängerung des Erwärmungsexperiments ermöglicht uns C-Pool Veränderungen auf zweierlei Arten abzuschätzen, (i) aus den gemessenen C-Flüssen der letzten 9 Jahre, und (ii) aus dem Vergleich der C-Pools auf erwärmten und unbehandelten Flächen (2013). Durch die Integration von oberirdischen Komponenten kann eine langfristige Abschätzung der Folgen der Erwärmung auf C-Flüsse und Pools des Wald- Ökosystems erfolgen - eine Grundlage für künftige Kyoto Berichterstattung. Um funktionelle Abläufe im Boden besser zu verstehen ist es nötig, die heterogene organische Bodensubstanz in labile und stabile Fraktionen aufzutrennen. Die org. Substanz wird physikalisch fraktioniert und die Umsatzzeit der einzelnen Fraktionen wird mittels Radiokarbon (14C) Messung bestimmt. Die Umsatzzeiten der einzelnen Fraktionen geben Aufschluss über die Auswirkungen der Erwärmung auf labile und rekalzitrante C-Pools. Durch eine detailierte chemische Analyse der verschiedenen org. C-Pools sollen neue Einblicke in die Funktionsweise des Boden-C Kreislaufs gewonnen werden. Neben dem oberirdischen wird auch der unterirdische Streueintrag durch Bestimmung der Feinwurzelumsätze quantifiziert. Die Struktur der mikrobiellen Gemeinschaft wird wieder erhoben und Mikroorganismen werden auf physiologische Anpassungen an wärmere Bedingungen untersucht. Die Temperatur-Sensitivität der Bodenatmung auf erwärmten und unbehandelten Flächen wird im Labor getestet. Des Weiteren werden methodische Fragestellungen bei der Messung der CO 2 Emissionen aus Kalk-Gestein bearbeitet.

Wälder fungieren derzeit als Kohlenstoffsenke und kompensieren einen Teil der anthropogenen CO2 Emissionen. Die langfristigen Auswirkungen der Klimaerwärmung auf den Kohlenstoffkreislauf von Waldökosystemen sind jedoch noch nicht vollständig geklärt. Speziell die Entwicklung des Bodenkohlenstoffvorrats ist unklar. Bodenmikroorganismen beschleunigen bei einer Temperaturerhöhung ihren Metabolismus und steigern dadurch die Abbauraten der organischen Bodensubstanz (Laub-, Wurzelstreu, Humus). Durch die damit verbundene Steigerung der mikrobiellen Atmungsraten wird vermehrt CO2 aus dem Boden freigesetzt. Sollte sich die globale Erwärmung stärker auf die CO2 Produktion im Boden als auf die CO2 Aufnahme durch das Pflanzenwachstum auswirken, könnten Waldökosysteme sogar zu CO2 Quellen werden. Eine Möglichkeit die längerfristigen Auswirkungen der Erwärmung auf den Boden abzuschätzen sind künstliche Bodenerwärmungs-Experimente. Das Projekt ermöglichte es uns, eines der wenigen Langzeit Erwärmungs-Experimente voranzutreiben. Eine konstante Erwärmung um 4C erhöhte den CO2 Ausstoß des Bodens um ca. 40%, wobei keine Reduktion des Erwärmungseffekts über die Dauer von insgesamt 9 Jahren festzustellen war. Entgegen unserer Erwartungen konnten keine physiologischen Anpassungen der Bodenmikroorganismen an die erhöhten Bodentemperaturen nachgewiesen werden. Der konsistente Anstieg der CO2 Emissionen aus dem Boden und die Auswirkungen der Erwärmung auf unterschiedliche Kohlenstoff-Fraktionen legen nahe, dass die Temperaturerhöhung den Abbau von labilen aber auch stabilen Kohlenstoffverbindungen im Boden beschleunigt hat. Ein kleinerer Teil des Anstiegs in den CO2 Emissionen kann durch schnelleres Wurzelwachstum auf den erwärmten Probeflächen erklärt werden. Die Feinwurzeln in den erwärmten Flächen veränderten zudem ihr Aussehen und wurden vergleichsweise länger und dünner. Da sich der Erwärmungseffekt, entgegen unserer Erwartungen (und entgegen den Beobachtungen aus anderen Langzeit Erwärmungs-Experimenten), nicht mit zunehmender Versuchsdauer abgeschwächt hat, muss von einem länger anhaltenden starken Anstieg der Boden-CO2 Emissionen aus dem untersuchten Waldökosystem ausgegangen werden. Der organische Kohlenstoff in dem stark karbonathaltigen Boden scheint weniger stabilisiert und daher weniger vor Abbau geschützt als in anderen Waldböden. Falls der temperaturbedingte Anstieg der CO2 Emissionen aus dem Waldboden nicht durch einen entsprechenden Anstieg der Biomasse-Produktion ausgeglichen wird, sind Kohlenstoff Verluste vom Waldökosystem in Richtung Atmosphäre zu befürchten.