Kohlenstoffsenke

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Als Kohlenstoffsenke (auch Kohlendioxidsenke oder CO2-Senke) wird in den Geowissenschaften ein natürliches Reservoir bezeichnet, das – in geologischen Zeitmaßstäben betrachtet – vorübergehend mehr Kohlenstoff aufnimmt und speichert, als es abgibt. Kohlenstoffsenken sind Teil des Kohlenstoffkreislaufs und haben seit Urzeiten eine große Bedeutung für das Erdklima. Im 21. Jahrhundert erlangen sie besondere Aufmerksamkeit, weil sie das menschengemachte Treibhausgas Kohlendioxid (CO2) aus der Atmosphäre aufnehmen und damit den Treibhauseffekt abschwächen können. Andererseits besteht auch das Risiko, dass durch menschliche Einflüsse aus Kohlenstoffsenken Kohlenstoffquellen werden, die in der Summe mehr Kohlendioxid abgeben, als sie aufnehmen. Daher spielen sie im Zusammenhang mit der globalen Erwärmung eine wichtige Rolle.[1]

Kohlenstoffsenken der terrestrischen Biosphäre[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Terrestrische Ökosysteme enthalten Kohlenstoff zum größten Teil in organischen Verbindungen sowohl in ihrer lebenden Biomasse als auch im Humus ihrer Böden. Erhöhen sich in einem Ökosystem die Kohlenstoffvorräte (also die Summe der Kohlenstoffvorräte in Biomasse und Boden), so ist dieses Ökosystem eine Kohlenstoffsenke.

Mittels Photosynthese nehmen Pflanzen (und in geringerer Menge auch einige Bakterienarten) Kohlenstoffdioxid aus der Atmosphäre auf und bauen den Kohlenstoff in organische Stoffe ein. Ein Teil dieser organischen Stoffe dient Tieren und Mikroorganismen als Nahrung. Organische Stoffe, die nicht mehr Bestandteile von Lebewesen sind, werden als Streu dem Boden zugeführt und bilden dort den Humus. Zur Streu gehören neben toten Lebewesen z. B. auch heruntergefallene Blätter und Nadeln, Wurzelausscheidungen (Exsudate) und Exkremente von Tieren. Der Großteil der Streu wird nach kurzer Zeit von Bakterien und Pilzen mineralisiert, wobei der Kohlenstoff aus den organischen Verbindungen wieder in Kohlenstoffdioxid überführt und in die Atmosphäre abgegeben wird. Ein kleiner Teil kann jedoch unter geeigneten Bedingungen zusätzlich in den Boden eingelagert werden. Auch Feuer wandelt organisch gebundenen Kohlenstoff in Kohlenstoffdioxid um. Soll ein Ökosystem als Kohlenstoffsenke dienen, so muss man zwei Ziele verfolgen: mehr Biomasse und mehr Humus (mehr Streu, weniger Mineralisierung).

Die Form der Landnutzung hat einen erheblichen Einfluss auf die Speicherung von Kohlenstoff im Boden. Mit einer ökologischen Landwirtschaft können die Kohlenstoffeinträge in die Böden erhöht werden, da im Vergleich zur konventionellen mehr Wurzelbiomasse gebildet werden kann[2]. Wie beiliegendes Diagramm zeigt, ist im Boden weltweit mehr als doppelt so viel Kohlenstoff gespeichert wie in der lebenden Biomasse, wobei dieses Diagramm für die Böden nur die Kohlenstoffvorräte des obersten Meters angibt.

Diagramm des Kohlenstoffzyklus. Die schwarzen Zahlen geben an, wie viele Milliarden Tonnen Kohlenstoff (Gt C) in den verschiedenen Reservoiren vorhanden sind. Die blauen Zahlen zeigen an, wie viel Kohlenstoff zwischen den einzelnen Speichern pro Jahr ausgetauscht wird.

Im Kohlenstoffzyklus wird Kohlenstoff zwischen Kohlenstoffsenken und Kohlenstoffquellen ausgetauscht. Die wichtigste Kohlenstoffquelle ist derzeit der stetig wachsende Verbrauch fossiler Brennstoffe wie Erdöl, Erdgas oder Kohle. Außerdem wird durch die oben genannten Prozesse Kohlenstoff in Ökosystemen eingelagert oder aus ihnen freigesetzt.

Wälder[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Wälder absorbieren weltweit jährlich 0,55 Gigatonnen und sind somit die größte terrestrische Senke für Kohlenstoff. Die Gesamtmasse der global in Waldökosystemen gespeicherten Kohlenstoffmenge wird mit 300 Gigatonnen im organischen Anteil des Mineralbodens, 295 Gigatonnen in der lebenden Biomasse und 68 Gigatonnen im Totholz und in der Streuschicht angenommen.[3] In den borealen Nadelwäldern entfällt fast die Hälfte auf das unterirdische Pilzgeflecht.[4] Die Speicherleistung der Wälder nimmt jedoch ab. Ursachen sind Übernutzung durch thermische Verwertung sowie die Klimaveränderung. Sie sorgt für Trockenstress, Schädlingsbefall und erhöhte Gefahr für die Ausbreitung von Waldbränden. Es stellt sich die Frage, welche Art der Bewirtschaftung eine optimale Speicherleistung gewährleistet. Untersuchungen ergaben, dass der Kohlenstoff-Pool in Urwäldern wesentlich höher ist als in Wirtschaftswäldern (347 tC/ha gegenüber 272 tC/ha). Zurückhaltung bei der Holzernte erscheint daher die kurzfristig erfolgreichste Maßnahme zur Steigerung der Kohlenstoffspeicherleistung der Wälder zu sein.[3]

Etwa ein Drittel der menschengemachten Kohlendioxidemissionen ist auf die Entwaldung der letzten 150 Jahre zurückzuführen. Im Umkehrschluss können Aufforstungen sehr klimawirksam sein. Dies trifft vor allem dann zu, wenn großflächige Aufforstung im Gegenzug mit einem Rückgang der landwirtschaftlich genutzten Flächen einhergeht.[5]

Die Fähigkeit von Aufforstungsflächen, Kohlenstoff zu speichern, hängt sehr stark von Faktoren wie Feuchte und Sonneneinstrahlung ab. In den Tropen ist eine Speicherleistung von bis 27 Tonnen Kohlenstoff pro Jahr und Hektar (tC/(ha·a)) möglich. In höheren Breiten ist die Speicherleistung entsprechend niedriger. Für Deutschland sind Werte von 2,8 tC/(ha·a) für 20-jährige Kulturen und 6,4 tC/(ha·a) für 60-jährige Kulturen zu erwarten. Bei Neuanlagen vergehen etliche Jahre, bis in der Summe eine CO2-Speicherung stattfindet. Aufforstungen auf vorbestehendem Grünland führen in Einzelfällen zu keiner Senkenwirkung, wenn hohe, im Boden gespeicherte Kohlenstoffvorräte durch Aufforstung mobilisiert und freigesetzt werden, die durch den Zuwachs an Biomasse nicht ausgeglichen werden. Ein Beispiel in Kanada ergab eine negative CO2-Bilanz nach 20 Jahren, nach 70 Jahren war sie positiv. Hier kamen die Faktoren der relativ niedrigen Speicherleistung aufgrund der hohen nördlichen Breite und der Aufforstung auf Grünland zusammen.[6]

Folgende Faktoren führen bei Aufforstungen zu einer positiven CO2-Bilanz:

  • Verzicht auf intensive Bodenbearbeitung, da diese den Umsatz von vorhandenem organischen Material fördert.
  • Bei der Aufforstung von Ackerflächen ist der Effekt als Kohlenstoffsenke höher als bei der Aufforstung von Grünlandflächen.
  • Bodendrainagen führen zu einer erhöhten Freisetzung von CO2.[7]

Es wird angenommen, dass äquatornahe Wälder eher in der Lage sind, der Atmosphäre CO2 zu entziehen, während Wälder der höheren Breiten in der Summe möglicherweise eher CO2 abgeben.[8] Darüber hinaus haben boreale Nadelwälder einen geringeren Albedo-Effekt als schneebedeckte waldfreie Flächen.[9] Die tropischen Regenwälder galten bislang als besonders große Kohlenstoffsenken. Dieser Effekt scheint sich jedoch nach einer 2020 veröffentlichten Studie als Folge der Erderwärmung abzuschwächen beziehungsweise umzukehren.[10] Eine Studie aus dem März 2020 von ca. 100 Institutionen über einen Zeitraum von 30 Jahren zeigt, dass die Fähigkeit tropischer Wälder, CO2 zu absorbieren, aufgrund von Klimawandel und Entwaldung schwindet. Wissenschaftler projizieren in der Studie mittels Daten und Modellen einen langfristigen Rückgang der afrikanischen CO2-Senke um 14 % bis 2030. Demnach entwickelt sich der Amazonas-Regenwald von einer CO2-Senke zu einer CO2-Quelle bis Mitte der 2030er Jahre.[11][10] Ähnliche Entwicklungen wurden schon 2020 bei brasilianischen saisonalen Wäldern beobachtet. In 32 seit 1987 beobachteten Waldflächen sank die Kohlendioxid-Absorption in diesem Zeitraum um 2,6 %, während die Abgabe von CO2 um 3,4 % anstieg.[12]

Wissenschaftliche Untersuchungen mit CO2-gedüngten Wäldern deuten darauf hin, dass diese zusätzliches CO2 über die Bodenatmung wieder abgeben.[13][14] Ein Freilandexperiment der Universität Basel und des Paul Scherrer Instituts stellte bei den untersuchten Bäumen trotz der CO2-Düngung keinerlei Wachstumsförderung fest.[14]

Moore[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Weltweit beherbergen Moore 900 Gigatonnen Kohlenstoff.[15] Sie binden Kohlenstoffdioxid, solange sie wachsen.[16] Noch in diesem Jahrhundert könnten sie – durch weitere Abtorfung oder Trockenlegung, Absterben der Torfmoose durch die Erwärmung sowie Brände – von einer Kohlenstoffsenke zu einer Kohlenstoffquelle werden. Die Datenlage ist allerdings noch sehr unsicher.[17][18][19]

Grasland[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Grasland wie Steppen und Savannen, haben ein hohes Potential als Kohlenstoffsenke. Wissenschaftler der Universität Lund stellten fest, dass durch ihre Photosyntheseleistung etwa ein Drittel der jährlichen anthropogenen Kohlenstoffdioxidemissionen gebunden wird.[20] In Savannen gibt es viele Feuer, die großteils vom Menschen verursacht sind. Das durch Mineralisierung oder Feuer wieder in die Atmosphäre abgegebene Kohlenstoffdioxid reduziert die Wirkung als Kohlenstoffspeicher. Böden unter Dauergrünland in Deutschland speichern in den oberen 90 cm 181 Tonnen Kohlenstoff pro Hektar, deutlich mehr als Ackerland mit durchschnittlich 95 tC/ha.[21]

Begrenzung der CO2-Aufnahme durch Nährstoffmangel[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Enthält der Boden nicht genügend Nährstoffe, wachsen die Pflanzen langsamer. Sie können dann auch nicht so viel CO2 aufnehmen. Es liegen bereits Berechnungsmodelle vor, die diesen Zusammenhang für Stickstoff und Phosphor berücksichtigen.[22] Langfristig ist besonders mit Problemen bei der Phosphorversorgung zu rechnen.

Kohlenstoffsenken in aquatischen Systemen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Ozeane spielen eine wichtige Rolle im Kohlenstoffzyklus. Nach Forschungen unter der Leitung der ETH Zürich nahmen die Weltmeere im Zeitraum zwischen 1994 und 2007 insgesamt 34 Gigatonnen (Milliarden Tonnen) menschengemachten Kohlenstoff aus der Atmosphäre auf. Dies entspricht rund 31 % der gesamten menschengemachten Kohlendioxidproduktion in diesem Zeitraum. Im Vergleich zu den 200 zurückliegenden Jahren ist die Aufnahme von CO2 mit dessen ansteigender Konzentration in der Atmosphäre anteilsmäßig mitgestiegen. Eine Sättigung der Ozeane mit einer Verminderung der Aufnahme von CO2 ist derzeit noch nicht festzustellen.[23]

Die Aufnahmerate ist regional unterschiedlich und hängt vom Austausch des Oberflächenwassers mit den tieferen Schichten ab.[23] Etwa 40 Prozent der Aufnahme erfolgt im Südpolarmeer. Motor für die Verbringung des CO2 ins Tiefenwasser ist die Thermohaline Zirkulation. Sie ist auch der größte Unsicherheitsfaktor für die Vorhersage der künftigen Leistung als Kohlenstoffsenke.[24][25] Die Thermohaline Zirkulation ist eines der klassischen Kippelemente im Erdklimasystem.[26]

Die Speicherung von CO2 im Ozean hat ihren Preis: Das Meerwasser wird immer sauerer. Dieser Effekt ist bis zu einer Tiefe von 3.000 m nachweisbar. Er hat negative Auswirkungen auf verschiedene Ökosysteme.[23]

CO2-Senke Meer am Beispiel Algen (Erklärvideo der tagesschau)

Zu den natürlichen aquatischen Kohlenstoffspeichern zählen insbesondere küstennahe Meeresgebiete mit Seegraswiesen, Salzwiesen, Algenwäldern oder Mangrovenwäldern. In Europa verfolgt man das Ziel, den Erhaltungszustand dieser Biotope (so vorhanden) so zu verbessern, dass sie weiterhin ihre ökologische Funktion erfüllen können. In Deutschland erforscht das Bundesamt für Naturschutz daher unter anderem, wie sich die Kohlenstoffspeicherkapazitäten in der Nord- und Ostsee erhalten und verbessern lassen.[27][28]

Die Lithosphäre als Kohlenstoffspeicher[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

In geologischen Zeiträumen ist der wichtigste Kohlenstoffspeicher die Lithosphäre, die 99,95 % des auf der Erde vorkommenden Kohlenstoffs enthält; hauptsächlich als Carbonat wie Kalk.[29]

Jedoch kann es auch in kurzen Zeiträumen wie Monaten und Jahren zur Bildung von Karbonatgestein kommen. Ein Beispiel ist der sogenannte Beachrock, der an warmen Küstenregionen rund um den Globus entsteht.[30]

Einer Hochrechnung von Forschern der Universität Lanzhou aus dem Jahr 2017 zufolge sind endorheische Gewässer eine weitere wichtige Senke, die Kohlenstoffmengen in einer Größenordnung wie die Tiefsee speichern könnten. Dabei handelt es sich um abflusslose Gewässer in Trockengebieten mit hoher Verdunstungsrate wie beispielsweise den Aralsee. Hier wird Kohlenstoff in mineralischen Verbindungen langfristig festgelegt. Man geht davon aus, dass jährlich und weltweit ca. 152 Millionen Tonnen Kohlenstoff auf diese Weise dem Kreislauf entzogen werden.[31]

Ein Teil des in der Lithosphäre gebundenen Kohlenstoffs wird durch Vulkanismus wieder freigesetzt, indem Karbonatgesteine durch Subduktion in tiefere Schichten der Erdkruste gelangen und dort aufgeschmolzen werden. In der Folge entweicht freies CO2 in die Atmosphäre. Auch bei der Ozeanbodenspreizung, wie z. B. am Mittelatlantischen Rücken entweicht CO2 in das Meerwasser. Vor 56 Millionen Jahren verursachte dieser Prozess über einen Zeitraum von 25.000 Jahren einen Anstieg der globalen Durchschnittstemperatur von 5 Grad.[32] Diese Prozesse finden zwar auch heute statt, jedoch konnte durch Isotopenuntersuchung nachgewiesen werden, dass der Beitrag zur heutigen Klimaerwärmung nur sehr gering ist.[33]

Siehe auch[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Weblinks[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Wiktionary: CO₂-Senke – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen
Wiktionary: Kohlenstoffspeicher – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. Eckhard R. Lucius, Horst Bayrhuber, Kristin Hildebrandt, Karin Lochte, Rolf Peinert, Christiane Queisser, Ilka Parchmann, Kirsten Schlüter, Karl-Heinz Starke: Der Kohlenstoffkreislauf. (PDF; 9,9 MB) Leibniz-Institut für die Pädagogik der Naturwissenschaften an der Universität Kiel, 2005, S. 6–14, abgerufen am 15. April 2022.
  2. Mehr Wurzelkohlenstoff in extensiven Anbausystemen – Treibhausgasinventar wird optimiert. Agroscope, 7. Januar 2021, abgerufen am 7. Januar 2021.
  3. a b Rainer Luick, Klaus Hennenberg, Christoph Leuschner, Manfred Grossmann, Eckhard Jedicke, Nicolas Schoof, Thomas Waldenspuhl: Urwälder, Natur- und Wirtschaftswälder im Kontext von Biodiversitäts- und Klimaschutz. (PDF; 15,3 MB) 12. März 2021, S. 22–25, abgerufen am 18. April 2022.
  4. Ett hemligt liv. In: Sveriges Natur. Nr. 4, 2020, S. 24–28 (schwedisch).
  5. J. Pongratz, S. Sonntag: Wald und Klima – Potenziale und Nebenwirkungen zukünftiger Aufforstung. Max-Planck-Institut für Meteorologie, 2016, abgerufen am 18. April 2022.
  6. C. Paul, M. Weber, R. Mosandl: Kohlenstoffbindung junger Aufforstungsflächen. (PDF; 3,4 MB) Karl Gayer Institut, April 2009, S. 26, abgerufen am 18. April 2022.
  7. C. Paul, M. Weber, R. Mosandl: Kohlenstoffbindung junger Aufforstungsflächen. Karl Gayer Institut, April 2009, S. 28, abgerufen am 31. Dezember 2023.
  8. IPCC-Klimastatusbericht 2013. IPCC, 27. September 2013, abgerufen am 20. Juli 2021.
  9. Johannes Winckler, Christian Reick, Julia Pongratz: Unterschiede in lokalen Temperaturänderungen durch Entwaldung zwischen verschiedenen Szenarien. In: Geophysical Research Letters. 28. April 2017, abgerufen am 20. Juli 2021.
  10. a b W. Hubau, S. L. Lewis, O. L. Phillips, et al.: Asynchronous carbon sink saturation in African and Amazonian tropical forests. In: Nature. Band 579, Nr. 7797, März 2020, S. 80–87, doi:10.1038/s41586-020-2035-0, PMID 32132693, bibcode:2020Natur.579...80H (englisch).
  11. Tropical forests' carbon sink is already rapidly weakening In: phys.org. Abgerufen am 5. April 2020. (amerikanisches Englisch) 
  12. Brazilian forests found to be transitioning from carbon sinks to carbon sources In: phys.org (englisch) 
  13. A. S. Allen, J. A. Andrews, A. C. Finzi, R. Matamala, D. D. Richter, W. H. Schlesinger: Effects of Free Air CO2-Enrichment (FACE) on Belowground Processes in a PINUS TAEDA Forest. In: Ecological Applications. Band 10, Nr. 2, 1999, S. 437–448, Abstract JSTOR:2641105.
  14. a b Christian Körner: Waldbäume in einer CO2-reichen Welt (PDF; 39 kB)
  15. Einführung zur Kohlenstoffdynamik. Humboldt-Universität zu Berlin Landwirtschaftlich-Gärtnerische Fakultät Department für Nutzpflanzen und Tierwissenschaften Fachgebiet Bodenkunde und Standortlehre, abgerufen am 18. April 2022.
  16. L. Bergmann, M. Drösler: Die Bedeutung von Mooren als CO2-Senken. 2009.
  17. J. Loisel, A. V. Gallego-Sala, M. J. Amesbury et al.: Expert assessment of future vulnerability of the global peatland carbon sink. In: Nature Climate Change. 2020, doi:10.1038/s41558-020-00944-0.
  18. Torfgebiete könnten Milliarden Tonnen Kohlenstoff freisetzen. In: tierwelt.ch. sda, 7. Dezember 2020, abgerufen am 8. Dezember 2020.
  19. Torfgebiete vor Bränden schützen. In: schweizerbauer.ch. sda, 8. Dezember 2020, abgerufen am 8. Dezember 2020.
  20. Viktiga savanner. In: Sveriges Natur. Nr. 106–415, Mitgliedszeitschrift des schwedischen Naturschutzvereins, Stockholm, September 2015, ISSN 0039-6974, S. 16.
  21. Humus für Bodenfruchtbarkeit und Klimaschutz. Thünen-Institut, abgerufen am 18. April 2022.
  22. Daniel Goll: Phosphormangel reduziert zukünftige Kohlenstoffsenke. Max-Planck-Institut für Meteorologie, 20. Februar 2013, abgerufen am 25. April 2021.
  23. a b c Michael Keller: Marine Senke für menschgemachtes CO2 bestimmt. ETH Zürich, Stampfenbachstrasse 69, 8092 Zürich (Schweiz), 14. März 2019, abgerufen am 27. April 2021.
  24. J. Terhaar, T. L. Frölicher, F. Joos: Southern Ocean anthropogenic carbon sink constrained by sea surface salinity. In: Science Advances. 28. April 2021, doi:10.1126/sciadv.abd5964.
  25. Unsicherheit bezüglich CO2-Aufnahme im Südpolarmeer halbiert. Universität Bern, 28. April 2021, abgerufen am 2. Mai 2021.
  26. Fabian Stenzel: Interaktionen zwischen ausgewählten Kippelementen. (PDF; 32 kB) Potsdam-Institut für Klimafolgenforschung, 15. Oktober 2021, abgerufen am 18. März 2023.
  27. BfN-Forschungsprogramm. 2022–2026 vom 31. März 2023 (Abschnitt C 5: Meeresnaturschutz) Bundesministerium für Bildung und Forschung, abgerufen am 20. Juni 2023.
  28. Meeresforschung. Das Potential des Ozeans als CO2-Speicher nachhaltig nutzen vom 3. August 2021 Bundesministerium für Bildung und Forschung, abgerufen am 20. Juni 2023.
  29. Eckhard Lucius et al.: Der Kohlenstoffkreislauf. (PDF; 9,9MB) Leibniz-Institut für die Pädagogik der Naturwissenschaften an der Universität Kiel, 28. November 2005, S. 7, abgerufen am 18. März 2023.
  30. Brian Ricketts: Mineralogy of carbonates; Beachrock. 10. November 2019, abgerufen am 18. März 2023 (en-NZ).
  31. Yu Li u. a.: Substantial inorganic carbon sink in closed drainage basins globally. In: Nature Geoscience. Juni 2017, doi:10.1038/ngeo2972.
    Bobby Magill: Desert Basins Could Hold ‘Missing’ Carbon Sinks. In: climate central. 20. Juni 2017, abgerufen am 26. Juni 2017 (Bericht hierzu).
  32. M. Gutjahr, A. Ridgwell, P. F. Sexton, E. Anagnostou, P. N. Pearson, H. Pälike, R. D. Norris, E. Thomas, G. L. Foster: Vulkanisches CO2 als Ursache globaler Erwärmung vor 56 Millionen Jahren? GEOMAR Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung Kiel Wischhofstr. 1–3 24148 Kiel, 2017, abgerufen am 4. Januar 2022.
  33. Jan Oliver Löfken: Ursprung von Kohlendioxid aus Vulkanen aufgeklärt. In: Welt der Physik. Deutsche Physikalische Gesellschaft e. V. Hauptstraße 5 53604 Bad Honnef, 20. Juli 2017, abgerufen am 4. Januar 2022.