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Produktivität der Vegetation vielleicht höher als bisher angenommen

29.09.2011
Pflanzen könnten global bis zu 45 Prozent mehr Kohlenstoff aufnehmen als bisher angenommen.

Das schlussfolgert ein internationales Wissenschaftlerteam aus Schwankungen schwerer Sauerstoffatome im Kohlendioxid in der Atmosphäre, die mit dem El-Niño-Effekt verbunden sind. Da die Sauerstoffatome im Kohlendioxid zwischen den El-Niño-Jahren schneller als erwartet umgesetzt wurden, seien die aktuellen Schätzungen der Aufnahme an Kohlenstoff durch die Pflanzen wahrscheinlich zu gering. Sie sollten nach oben korrigiert werden, schreiben die Forscher in der aktuellen Ausgabe des Wissenschaftsmagazins NATURE.


Pflanzen könnten global bis zu 45 Prozent mehr Kohlenstoff aufnehmen als bisher angenommen. Das schlussfolgert ein internationales Wissenschaftlerteam aus Schwankungen schwerer Sauerstoffatome im Kohlendioxid in der Atmosphäre, die mit dem El-Niño-Effekt verbunden sind. Statt 120 Milliarden Tonnen Kohlenstoff würde die gesamte Vegetation der Erde wahrscheinlich zwischen 150 und 175 Milliarden Tonnen Kohlenstoff pro Jahr aufnehmen, schreiben die Forscher im Fachblatt NATURE. Foto: André Kuenzelmann/UFZ


Für die Studie wurden auch Daten aus Luftproben ausgewertet, die das australische CSIRO bei Cap Grim in Tasmanien genommen hat. Das so genannte Cape Grim Air Archive wurde 1978 angelegt. Seitdem füllen die Forscher aller drei Monate Luft ab und lagern diese für spätere Generationen in Aspendale bei Melbourne ein. So lassen sich Langzeitentwicklungen der Erdatmosphäre untersuchen. Foto: Tilo Arnhold/UFZ

Statt 120 Milliarden Tonnen Kohlenstoff würde die gesamte Vegetation der Erde wahrscheinlich zwischen 150 und 175 Milliarden Tonnen Kohlenstoff pro Jahr aufnehmen. Dieser Wert ist eine Art Bruttosozialprodukt für die Vegetation und gibt an, wie produktiv die Biosphäre der Erde ist. Eine Überarbeitung dieser so genannten globalen Brutto-Primärproduktion hätte Auswirkungen auf die gekoppelten Klima-Kohlenstoff-Modelle, die in der Klimaforschung genutzt werden, um den künftigen Klimawandel vorherzusagen.

Lisa Welp vom Scripps Institution of Oceanography an der University of California in San Diego und ihre Kollegen hatten für die Studie Daten zu den Isotopenverhältnissen im Treibhausgas CO2 der letzten 30 Jahre rund um den Globus ausgewertet. Dabei zeigten sich regelmäßige Schwankungen zwischen den Jahren und ein Zusammenhang mit dem El-Niño-Phänomen im Pazifik. El-Niño-Jahre sind insgesamt wärmer und niederschlagsreicher in Südamerika sowie haben einen schwächeren Monsun in Südostasien. Die Forscher beobachteten eine raschere Erholung der Isotopenverhältnisse nach El-Niño-Ereignissen als angenommen, was auf eine kürzere Umsatzzeit von CO2 in der terrestrischen Biosphäre hindeutet. Aus diesen Daten errechnen die Autoren die so genannte globale Brutto-Primärproduktion (Global Primary Productivity, GPP). Sie schlagen nun vor, diese in den globalen Modellen von 120 auf 150 bis 175 Milliarden Tonnen Kohlenstoff pro Jahr nach oben zu korrigieren.

Seit 1977 werden Isotopenverhältnisse im Kohlendioxid der Atmosphäre (18O/16O und 13C/12C) gemessen, um den globalen Kohlenstoffkreislauf besser zu verstehen, denn die Austauchprozesse zwischen Biosphäre, Atmosphäre und Ozean spiegeln sich in diesen Werten wieder. „Wir nehmen an, dass die Umverteilung von Feuchtigkeit und Regen in den Tropen während El Niño das 18O/16O-Verhältnis von Niederschlag und Pflanzen-Wasser erhöht und dass dieses Signal dann an das atmosphärische Kohlendioxid weitergegeben wird“, erklärt Lisa Welp den neuen Ansatz der Forscher.

„Unsere Atmosphäre ist der perfekte Mixer. Veränderungen der Konzentrationen an Spurengasen wie Kohlendioxid spiegeln die Gesamtabgabe und -aufnahme der Spurengase aus allen Bereichen wider. Wenn man also beispielsweise den Kohlenstoffaustausch eines Waldes misst, dann erhält man „nur“ den Nettoaustausch allen Kohlenstoffs, der von den Bäumen durch Photosynthese aufgenommen und von Bäumen und Boden wieder abgegeben wird “, schreibt Dr. Matthias Cuntz vom Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung (UFZ) in der selben NATURE-Ausgabe in seinem Kommentar. Die Bruttoflüsse wie die Photosynthese sind dagegen nur sehr schwer zugänglich. „Globale Schätzungen hängen daher von einer Reihe von Annahmen ab. Dazu gehört zum Beispiel wie viele CO2-Moleküle, die jemals auf eine Pflanze treffen, dann von dieser per Photosynthese gebunden werden. Die Forscher um Lisa Welp nehmen an, dass etwa 43 Prozent aller CO2-Moleküle, die auf eine Pflanze treffen, von dieser aufgenommen werden. Sind es nur 34 Prozent, dann würde die Schätzung auf 120 Milliarden Tonnen Kohlenstoff sinken – also dem bisher allgemein akzeptierten Wert“, gibt Matthias Cuntz zu bedenken. Aus seiner Sicht werfen die neuen Erkenntnisse nicht alles Bestehende über den Haufen, aber sie demonstrieren ein interessantes neues Verfahren, die Produktivität der Pflanzen auf großen Flächen zu bestimmen. In Zukunft stellt die Kombination mehrerer Isotopenmethoden mit konventionellen Messungen einen vielversprechenden Ansatz dar.

Die jetzt veröffentlichte Studie entstand unter der Regie von Ralph F. Keeling. Der Professor für Ozeanographie ist der Sohn von Charles David Keeling, nach dem die so genannte Keeling-Kurve benannt wurde. Diese Grafik zeigt die Konzentration von CO2 auf dem Vulkan Mauna Loa auf Hawaii seit dem Jahr 1957. In den 1950er Jahren lag der CO2-Anteil in der Erdatmosphäre noch bei etwa 315 ppm. 2011 ist er dagegen bereits auf 390 ppm gestiegen. Keeling konnte mit seinen Messungen erstmals zeigen, dass die Konzentration des Treibhausgases durch Änderung der Landnutzung und der Verbrennung fossiler Brennstoffe ansteigt. Die neueste Studie unterstreicht aus Sicht der Wissenschaftler die Bedeutung von Langzeitmessungen des 18O-Isotops im Kohlendioxid der Atmosphäre, da dieses eine Schlüsselposition zwischen Kohlen- und Wasserstoffkreislauf einnimmt.

Tilo Arnhold

Mit seiner Expertise trägt das UFZ dazu bei, die Folgen des Klimawandels zu erforschen und Anpassungsstrategien zu entwickeln. So ist das UFZ beispielsweise für die wissenschaftliche Begleitung, Koordination und Synthese (GLUES) im Modul A des BMBF-Förderschwerpunktes "Nachhaltiges Landmanagement" zuständig, das auf der UN-Klimakonferenz Ende November in Durban vorgestellt wird. Über den Stand der Verhandlungen wird aus Durban der Klimaökonom Prof. Reimund Schwarze für das UFZ und CSC berichten (http://blog.ufz.de/klimawandel/ ).

Publikationen:
Lisa R. Welp, Ralph F. Keeling, Harro A. J. Meijer, Alane F. Bollenbacher, Stephen C. Piper, KeiYoshimura, Roger J. Francey, Colin E. Allison & Martin Wahlen (2011): Interannual variability in the oxygen isotopes of atmospheric CO2 driven by El Niño.
29 September 2011, Vol. 477, Nature 579, 579-582. doi:10.1038/nature10421
Matthias Cuntz (2011): A dent in carbon´s gold standard.
29 September 2011, Vol. 477, Nature 579, 547-548.
http://www.nature.com/nature/current_issue.html
Weitere Informationen:
Dr. Matthias Cuntz (N&V-Author)
Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung (UFZ), Leipzig, Deutschland
Tel: +49 341 235 1071
http://www.macu.de
http://www.ufz.de/index.php?de=4663
sowie
Lisa Welp (Erstautorin der Studie)
University of California, San Diego, La Jolla, CA, USA
Tel: +1 858 822 1642
http://www.sio.ucsd.edu/Profile/lwelp
Links:
CO2- und Isotopen-Messprogramm des Scripps Institution of Oceanography, USA:
http://scrippsco2.ucsd.edu/data/atmospheric_co2.html
Atmosphären-Messprogramm der National Oceanic & Atmospheric Administration, USA:
http://www.esrl.noaa.gov/gmd
Cape Grim Baseline Air Pollution Station, Tasmanien, Australien:
http://www.csiro.au/places/Cape-Grim.html
El Niño - Südliche Oszillation (ENSO):
http://de.wikipedia.org/wiki/El_Ni%C3%B1o
Im Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung (UFZ) erforschen Wissenschaftler die Ursachen und Folgen der weit reichenden Veränderungen der Umwelt. Sie befassen sich mit Wasserressourcen, biologischer Vielfalt, den Folgen des Klimawandels und Anpassungsmöglichkeiten, Umwelt- und Biotechnologien, Bioenergie, dem Verhalten von Chemikalien in der Umwelt, ihrer Wirkung auf die Gesundheit, Modellierung und sozialwissenschaftlichen Fragestellungen. Ihr Leitmotiv: Unsere Forschung dient der nachhaltigen Nutzung natürlicher Ressourcen und hilft, diese Lebensgrundlagen unter dem Einfluss des globalen Wandels langfristig zu sichern. Das UFZ beschäftigt an den Standorten Leipzig, Halle und Magdeburg 1000 Mitarbeiter. Es wird vom Bund sowie von Sachsen und Sachsen-Anhalt finanziert.
http://www.ufz.de/
Die Helmholtz-Gemeinschaft leistet Beiträge zur Lösung großer und drängender Fragen von Gesellschaft, Wissenschaft und Wirtschaft durch wissenschaftliche Spitzenleistungen in sechs Forschungsbereichen: Energie, Erde und Umwelt, Gesundheit, Schlüsseltechnologien, Struktur der Materie sowie Luftfahrt, Raumfahrt und Verkehr. Die Helmholtz-Gemeinschaft ist mit über 31.000 Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern in 17 Forschungszentren und einem Jahresbudget von rund 3 Milliarden Euro die größte Wissenschaftsorganisation Deutschlands. Ihre Arbeit steht in der Tradition des Naturforschers Hermann von Helmholtz (1821-1894).

http://www.helmholtz.de

Tilo Arnhold | Helmholtz-Zentrum
Weitere Informationen:
http://www.ufz.de/index.php?de=22138
http://www.nature.com/nature/current_issue.html

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