Treibhausgas im Boden: Klimakiller lauert im Erdreich

Laien fällt es schwer, im Nebel der nicht enden wollenden Klimadebatte zu erkennen, welche fundamentalen Fragen unter seriösen Wissenschaftlern nun wirklich noch offen sind. Diese gehört dazu: Wie reagieren Böden auf die schleichende Erderwärmung? Geben sie mehr klimaschädliches Kohlendioxid in die Atmosphäre ab, weil höhere Temperaturen auch im Erdreich allgegenwärtige Mikroorganismen beflügeln, verstärkt Humus abzubauen - also im Boden gebundene Kohlenstoffverbindungen? Oder lässt der Klimawandel die Substratauflage der Kontinente kalt?

Die Frage ist von einiger Bedeutung: Denn in Böden sind global schätzungsweise 1,5 Billionen Tonnen Kohlenstoff gebunkert - mehr als in Vegetation und Erdatmosphäre zusammen (ca. 1,2 Billionen). Der enorme Pool speist sich vor allem aus pflanzlicher Biomasse: abgeworfene Blattstreu, vermodernde Stengel und Halme, abgestorbene Wurzeln.

Von den meisten biologischen Prozessen ist bekannt, dass sie bei höheren Temperaturen, sprich: bei größerer Energiezufuhr, beschleunigt ablaufen. Doch nicht im Boden. Das schien jedenfalls eine Studie von US-Forschern nachdrücklich zu zeigen, die das britische Wissenschaftsmagazin "Nature" im Jahr 2000 abdruckte. Die Autoren scheuten keine Mühe, werteten über 80 Experimente aus fünf Kontinenten aus und überraschten mit der Erkenntnis, dass die Kohlenstoff-Abbauraten im Boden in einem Bereich von 5 bis 35 Grad Celsius praktisch unbeeinflusst von der mittleren Außentemperatur ablaufen. Demnach bliebe der C-Vorrat zu Füßen von Wäldern, Wiesen und Feldern trotz des Klimawandels üppig wie eh.

Alles ein großer Irrtum, entgegnen jetzt aber Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Biogeochemie in Jena. Auch ihre Arbeit, verfasst gemeinsam mit Kollegen in England und den USA, erscheint in "Nature" (Ausg. 433, S. 298-301).

Experimente zu früh beendet

Die Studie von 2000 hatte den Eindruck erweckt, dass es zu einer biologischen Anpassung der Bodenfauna an höhere Außentemperaturen kommt. In Experimenten, auf die sich die Autoren seinerzeit stützten, waren Kohlenstoff-Abbauraten und CO2-Emissionen bei einer Temperaturerhöhung tatsächlich nur vorübergehend gestiegen. Schnell fielen sie wieder auf das Vorniveau zurück. Daraus zu schließen, die Klimaerwärmung nage nicht am Kohlenstoff-Vorrat der Böden, dürfte aber fahrlässig sein.

Max-Planck-Physiker Wolfgang Knorr und seine Kollegen liefern jetzt eine ganz andere Begründung für die nach Entwarnung klingenden Ergebnisse der Experimente: Die bisherigen Testreihen seien alle zu früh abgebrochen worden. Die üblichen zwölf bis 36 Monate Versuchsdauer genügten nicht. In einer solchen Zeitspanne würden nur leicht abbaubare Kohlenstoffverbindungen im Boden, die so genannte labile Kohlenstoff-Fraktion, in Kohlendioxid umgesetzt. Tatsächlich aber "überwiegen fast immer die nur langsam abbaubaren Fraktionen", sagt die Jenaer Geoökologin Annette Freibauer. Dazu zählen hartleibige Huminstoffe und Substanzen wie der Holzbestandteil Lignin.

Von wegen biologische Anpassung! Der bloß kurze CO2-Zuwachs "ist einfach nur das Ergebnis des raschen Abbaus der labilen Kohlenstoffverbindungen im Boden", heißt es im aktuellen "Nature"-Text. Das Gros der viel stabileren Kohlenstoffverbindungen im Boden bleibe außen vor. Knorrs Team hat nun ein Computermodell der Zersetzung entwickelt, in dem es sowohl einen labilen wie auch einen stabilen Kohlenstoff-Pool gibt. Bei den Simulationen mit diesem Ansatz zeigte sich, dass der Abbau der langlebigen Huminstoffe sehr wohl den üblichen physikochemischen Gesetzen folgt. "Obwohl die Verbindungen so komplex sind, entspricht die Reaktionskinetik den Erwartungen", folgert Knorr. Will sagen: Erhöhte Temperaturen beschleunigen die Zersetzung der stabilen C-Verbindungen - und damit auch die Emission von Kohlendioxid.

CO2-Düngungseffekt nur mittelfristig

Demnach setzen Böden im Zuge des Klimawandels mittelfristig also doch mehr CO2 frei als heute - und heizen so das Treibhaus zusätzlich auf. "In 20 bis 50 Jahren", glaubt Knorr, könnten solche Prozesse bei anhaltendem Erwärmungstrend in Gang kommen. Diese Einschätzung fügt sich in das Bild, das sich das Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) der Vereinten Nationen von der nahen Zukunft macht. Danach könnte mehr Kohlendioxid in der Außenluft die Vegetation zunächst noch zu stärkerem Wachstum animieren ("CO2-Düngungseffekt"); auch der C-Pool im Boden wüchse dann noch eine Weile. Mitte des Jahrhunderts aber schlüge die Situation ins Gegenteil um: Der Düngeeffekt verpufft und die bodenständigen CO2-Emissionen dominieren, weil immer höhere Durchschnittstemperaturen den mikrobiellen Humusabbau immer stärker ankurbeln.

Nun sei klar: Gerade die langlebigen Huminstoffe spielten eine wichtige Rolle im Klimageschehen. So kommentiert David Powlson von Rothamsted Research, dem größten Agrarforschungszentrum in Großbritannien, die neue Arbeit in "Nature". Doch was exakte Prognosen für die Zukunft anbelangt, mahnt der angesehene Bodenkundler und Kohlenstoffkreislauf-Kenner zur Vorsicht: "Auch Wasserhaushalt und Nährstoffverfügbarkeit im Boden werden sich ändern und den Abbau vor organischem Material beeinflussen." Diese Faktoren sind bis dato noch in keinem "Single-" oder "Multi-Pool-Modell" berücksichtigt.