Vegetation und Kohlendioxid

Vegetation und Kohlendioxid

Der Austausch der Atmosphäre mit der terrestrischen Biosphäre kann je nach Intensität der Kohlenstoff bindenden bzw. freisetzenden Prozesse für die Atmosphäre positiv sein, dann ist die Biosphäre eine Quelle von Kohlenstoff für die Atmosphäre, oder er kann negativ sein, dann ist die terrestrische Biosphäre eine Senke. In den 1980ern war sie eine Senke von 0,2 Gt C und in den 1990er Jahren von 1 Gt C.1 Die Ursache für Schwankungen im CO2-Fluss zwischen Biosphäre und Atmosphäre können in Veränderungen der atmosphärischen CO2-Konzentration liegen, durch die das Pflanzenwachstum gefördert bzw. vermindert werden kann. Im ersten Fall spricht man vom CO2-Düngungseffekt. Die Aufnahme von Kohlendioxid wird jedoch von verschiedenen Pflanzen-Typen unterschiedlich geregelt. Man unterscheidet je nach Art der CO2-Verwertung C3-, C4- und CAM-Pflanzen.

  • C3-Pflanzen setzen CO2 in eine Verbindung mit drei Kohlenstoff-Atomen um. Sie machen die Mehrheit der Pflanzen in kühleren und feuchteren Regionen aus und umfassen alle Bäume sowie so wichtige Anbaufrüchte wie Weizen, Reis, Gerste, Maniok und Kartoffeln.
  • C4-Pflanzen besitzen in ihren Blättern einen besonderen CO2-Konzentrations-Mechanismus, mit dem sie die CO2-Konzentration um ein Mehrfaches über das Niveau der Umgebung erhöhen können. Dabei wird CO2 zunächst in eine C4-Verbindung umgewandelt. Das erlaubt diesen Pflanzen im Vergleich zu den C3-Pflanzen eine geringere CO2-Aufnahme und vermindert damit zugleich die Wasserabgabe, da die feinen Spaltöffnungen der Blätter, die sogenannten Stomata, durch die sowohl die CO2-Aufnahme wie die Wasserabgabe erfolgt, kürzere Zeit geöffnet sein müssen als bei gleich viel Kohlendioxidaufnahme durch C3-Pflanzen. Der CO2-Konzentrations-Prozess erfordert jedoch zusätzliche Strahlungsenergie, weshalb diese Pflanzen in strahlungsreicheren Gegenden der Erde mit geringerer Wasserverfügbarkeit wachsen. Zu ihnen gehören viele tropische Gräser, viele Buschpflanzen in Trockengebieten und so wichtige Anbaufrüchte wie Mais, Zuckerrohr und Hirse.
  • Eine dritte Gruppe sind die CAM-Pflanzen. CAM (Crassulacean acid metabolism) ist eine Variante der C4-Photosynthese, bei der CO2 nicht nur konzentriert, sondern zusätzlich für einen halben Tag gespeichert wird. CAM-Pflanzen wachsen wie etwa Kakteen oft in Wüsten. Zu ihnen gehören aber auch weiter verbreitete Pflanzen wie Ananas. In diesen Pflanzen erfolgt die CO2-Aufnahme während der Nacht und wird für den Gebrauch in normalen Photosynthese-Reaktionen während des nächsten Tages gespeichert.

Bei C3-Pflanzen wird eine erhöhte Kohlendioxid-Konzentration die Photosyntheserate verstärken. Wegen der erhöhten Aufnahme von Kohlendioxid pro Zeiteinheit können die Öffnungsphasen der Stomata reduziert werden, wodurch sich die Transpiration und damit der Wasserverlust verringern. Zusammengenommen hat das ein höheres Wachstum und einen verringerten Wasserverbrauch zur Folge. Anders verhalten sich C4-Pflanzen bei einer höheren CO2-Konzentration. Da sie durch interne Mechanismen schon unter jetzigen Verhältnissen das CO2 der Atmosphäre besser ausnutzen, reagieren sie nur in geringem Maße auf eine Konzentrationserhöhung. Allerdings werden bei einem höheren CO2-Angebot die CO2-Aufnahmezeiten und damit auch die Wasser-Verdunstungsphasen verringert, was durch die bessere Wasserausnutzung einen positiven Wachstumseffekt bedeuten kann. Als Ergebnis der Stomata-Schließung kann die CO2-Zufuhr bei Trockenheit jedoch zu gering werden. Eine Steigerung der Photosynthese bei erhöhter Kohlendioxid-Konzentration in der Atmosphäre wird insofern primär von der Wasserzufuhr abhängen, da eine verringerte Wasserzufuhr zur Schließung der Stomata führen kann, um Verdunstung zu vermeiden.2

Reaktion von C3- und C4-Pflanzen auf eine Erhöhung des CO2-Gehalts der Atmosphäre
Abb. 1
: Die Reaktion von C3- und C4-Pflanzen auf eine Erhöhung des CO2-Gehalts der Atmosphäre. Die Pfeile zeigen den potentiellen Photosynthese-Gewinn bei einer Verdopplung der CO2-Konzentration3

Die Wirkung einer CO2-Erhöhung ist außer von der Wasserverfügbarkeit auch abhängig von der Temperatur. Besonders in den gemäßigten und kalten Regionen wird ein gemäßigter Anstieg der Temperatur eine Erhöhung der Nettoprimärproduktion (NPP: Aufbau von Biomasse durch Photosynthese minus Verlust durch Atmung) der Pflanzen zur Folge haben. Eine Verlängerung der Vegetationsperiode ist besonders in höheren Breiten von Vorteil, da hier Pflanzen reifen können, für die das heute nicht möglich ist. Allerdings sind viele Pflanzen an die Kombination bestimmter Temperatur- und Helligkeitsperioden im Tag-Nacht-Rhythmus angepasst, so dass sie nicht ohne weiteres von niederen in höhere Breiten verpflanzt werden können.

Zusammenhang zwischen Temperatur und Nettoprimärproduktion bei Pflanzen
Abb. 2
: Zusammenhang zwischen Temperatur und Nettoprimärproduktion bei Pflanzen4

Grundsätzlich gibt es eine Temperatur-Ober- und -Untergrenze für das Pflanzenwachstum. Da das Wachstum an flüssiges Wasser gebunden ist, setzt es erst wenige Grad über dem Gefrierpunkt ein; zu hohe Temperaturen zerstören andererseits die Enzymsysteme und damit die Zellen. Darüber hinaus bevorzugen viele Pflanzen eine Blatt-Temperatur innerhalb bestimmter Grenzen, in denen der Aufbau der Biomasse durch Photosynthese und der Abbau durch Atmung eine möglichst hohe Nettoprimärproduktion ermöglichen. So liegt der Temperaturbereich, in dem die maximale Netto-Photosynthese bzw. das höchste Wachstum stattfindet für die meisten Pflanzen der mittleren Breiten zwischen 18 und 25 oC.

Allgemein können Veränderungen in der CO2-Konzentration der Atmosphäre das Pflanzenwachstum fördern bzw. vermindern. Und umgekehrt beeinflussen das Wachstum und Verrotten der Pflanzen den CO2-Gehalt der Atmosphäre und damit auch die Temperatur. Werden Ökosysteme verändert, so hat das einerseits Auswirkungen auf das Klima, andererseits haben Veränderungen des Klimas deutliche Folgen für die Ökosysteme. Natürliche und naturnahe Ökosysteme stehen außerdem seit vielen Jahrhunderten unter dem Einfluss des Menschen. Heute sind fast alle Ökosysteme durch Veränderungen in der Landnutzung, die Ausbreitung von Siedlungen und Verkehrswegen, die Ablagerung von Schadstoffen oder die Einführung neuer Arten stark belastet. In jüngster Zeit zeigt sich immer deutlicher, dass in vielen Fällen die Grenzen der Belastung vielfach erreicht bzw. sogar überschritten sind. Der durch den Menschen verursachte Klimawandel ist ein weiterer Faktor einer globalen Umweltveränderung, der bisherige Gefährdungen noch verstärkt. So ist zu erwarten, dass manche Arten, die bereits als "kritisch gefährdet" gelten, durch das Zusammenwirken von Klimawandel und Veränderungen in der Landnutzung aussterben und Arten, die als "gefährdet und störanfällig" eingeordnet sind, an den Rand des Aussterbens geraten.5

Anmerkungen:
1. IPCC (2007): Climate Change 2007: The Scientific Basis, Table 7.1
2. IPCC (2001): Climate Change 2001: Impacts, Adaption, and Vulnerability. Contribution of the Working Group II to the Third Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change, Cambridge and New York 2001, 5.3.3.1.2.
3. nach Hörmann, G. und F. M. Chmielewski(1998): Auswirkungen auf Landwirtschaft und Forstwirtschaft, in: J.L.Lozán u.a.(Hg.): Warnsignal Klima, Hamburg, S.327; Rötter, R. and S.V. von de Geijn (1999): Climate change effects on plant growth, crop yield and livestock, Climatic Change 43, 651-681
4. Hörmann, G. und F. M. Chmielewski: Auswirkungen auf Landwirtschaft und Forstwirtschaft, in: J.L.Lozán u.a.(Hg.): Warnsignal Klima, Hamburg 1998, S.328
5. IPCC (2001): Climate Change 2001: Impacts, Adaption, and Vulnerability. Summary for Policymakers and Technical Summary of the Working Group II Report, Cambridge 2001, Summary for Policymakers 3.2., Technical Summary 4.3.

Autor: