Der Wald in einer CO2-reichen Welt

Dass das Brot, das wir essen, und das Holz, mit dem wir bauen, im Wesentlichen aus der Luft stammen, erstaunt auch heute noch – mehr als 200 Jahre nach der Entdeckung der Photosynthese. Pflanzen nehmen CO₂ (Kohlendioxyd) aus der Luft auf und bauen daraus mit Hilfe der Sonnenenergie ihre Körpersubstanz auf. Daran knüpfte sich früher die Vorstellung, dass mehr CO₂ aus der Luft, also mehr Verbrauch fossiler Energie, das Pflanzenwachstum fördert. Vergessen wurde dabei, dass weder Pflanzen noch unser eigener Körper nur aus Kohlenstoffverbindungen bestehen, sondern viele weitere chemische Elemente nötig sind, damit sich Pflanzen und Tiere gesund entwickeln können. Andere chemische Elemente vermehren sich jedoch nicht, wenn der CO₂-Pegel in der Luft steigt – auch im Wald nicht.

Der Wald ist nicht nur unser grösster Kohlenstoffspeicher, sondern auch ein wichtiger Rohstoff- und Energielieferant. Wie aber gehen unsere Waldbäume mit der stetig steigenden CO₂-Konzentration in der Luft um?

Dieser Frage ging das weltweit einzige Anreicherungsexperiment an ausgewachsenen Laubbäumen nach, dass die Universität Basel in freier Natur durchführt. In diesem Experiment im solothurnischen Hofstetten bei Basel wurden etwa 100-jährige Laubbäume acht Jahre lang einer Atmosphäre ausgesetzt, wie sie in etwa 60 bis 80 Jahren herrschen dürfte. Die Ergebnisse geben einen Einblick, wie subtil und verwoben die zu erwartenden Veränderungen im Wald sind, insbesondere wie sich diese atmosphärischen Einflüsse auf den Wasserhaushalt und die Artenvielfalt im Wald auswirken können.

Die Versuchsfläche des Schweizerischen Forschungskrans (Swiss Canopy Crane SCC) lag auf 550 m ü.NN am Nordfuss des Jura im Nordwesten der Schweiz. Das ausgewählte Waldstück zeichnete sich durch hohen Artenreichtum aus und liegt etwas abseits der intensiv durchforsteten Wälder. Für die CO₂-Anreicherung wurden 12 Laubbäume ausgewählt (Buche, Traubeneiche, Hagebuche, Sommerlinde, Feldahorn und Vogelkirsche). Die Höhe der Baumwipfel beträgt zwischen 28 und 35 m. Der Bodentyp ist eine Redzina auf zerklüftetem Kalkfels. Gemessen an seiner Wüchsigkeit gehört der Wald zu einer hohen Bonitätsstufe.

Die CO₂-Anreicherung erfolgte mit der FACE-Methode (Free Air CO₂ Enrichment). Dabei wurde auf jegliche Umhüllung der Pflanzen verzichtet, um eine Veränderung des Mikroklimas zu vermeiden. Bei der Anreicherung wurde reines, lebensmitteltaugliches Kohlendioxid (gereinigter Industrieabfall) in die Atmosphäre verströmt, das sich mit der Luft mischte und den CO₂-Pegel auf die gewünschte Höhe anhob. Bei diesem Verfahren wird das Kohlendioxid nicht mittels technischer Strukturen über den Baum verströmt, sondern die Baumkronen selbst sind Träger der Infrastruktur. Die CO₂-Anreicherung erfolgt hierbei ausschliesslich im Kronenraum. Von der Krangondel aus wurden pro Baum ca. 1 km dünne Spezialschläuche in die Kronen geflochten, ohne die Bäume zu verletzen. Die Schläuche weisen Poren auf, durch die das Kohlendioxid mit hohem Druck freigesetzt und dann innerhalb weniger Zentimeter mit der umliegenden Luft verwirbelt wird.

Es dauerte etwa vier Jahre, bis alle neu gebildeten Strukturen der untersuchten Waldbäume die Signatur der CO₂-Anreicherung in sich trugen. Die als Nebeneffekt dieses Experimentes erfolgte Markierung der Photosynthese-Produkte mit "neuem" Kohlenstoff ergab zwei interessante Einblicke in den Kohlenstoffkreislauf solcher Wälder:

1. Bereits drei Monate nach Beginn der CO₂-Anreicherung im Jahr 2000 bestanden die Fruchtkörper der Waldpilze im Umfeld der Bäume mit erhöhtem CO₂ zu 60% aus neuem Kohlenstoff. Dies beweist die enge Verbindung zwischen Baum und Pilzpartner.
2. Ein grosser Teil der Photosynthese-Produkte gelang entweder auf diesem Weg oder über Wurzelausscheidungen oder -atmung in den Boden. Beides führt zu einem Ausstoss an Kohlendioxid aus dem Waldboden.

Einige Insekten wie die Nonne (Schmetterling) zeigten in Versuchsgelegen ein verändertes Fressverhalten. Obwohl die Raupen mehr von den CO₂-angereicherten Blättern frassen, wurden sie nicht schwerer als die Raupen auf den Kontroll-Bäumen.

Ein nahe verwandtes Insekt, der forstlich ebenfalls wichtige Schwammspinner, reagierte auf das zusätzliche CO₂ je nach Baumart mit unterschiedlichen Wachstumsraten der Raupen. Bei CO₂ -begasten Hagebuchen waren die Raupen kräftiger, bei ebenso behandelten Eichen ging das Wachstum der Raupen zurück und bei Buche zeigte sich keine Reaktion. Die Wissenschaftler konnten die Veränderungen in der Futterqualität nicht schlüssig erklären.

Der auf Buche lebende Buchenspringrüssler verursacht neben Minier- und Lochfrass auch gelbe Spitzen an Buchenblättern. Die Käfer fressen bevorzugt an Buchenblättern in CO₂-angereicherter Luft. Ebenso legen die Weibchen mehr Eier auf die Blätter von hoch-CO₂-Buchen. Allerdings liessen sich diese Beobachtungen statistisch nicht absichern, sodass eine negative Auswirkung auf die betroffenen Bäume vorerst ausgeschlossen wird.

Die vorliegenden Ergebnisse lassen quer über die untersuchten Baumarten keine signifikante Wachstumssteigerung unter erhöhtem CO₂-Angebot erkennen. Im Vergleich zu zahlreichen Experimenten mit jüngeren Bäumen zeigt dieses erste und bisher einzige CO₂-Anreicherungsexperiment mit erwachsenen Waldbäumen in natürlicher Umgebung nicht die erwartete markante Wachstumsstimulierung.

Auch alle anderen gemessenen Signale sind relativ klein verglichen zu dem, was üblicherweise an Sämlingen, eingetopften Pflanzen oder jungen Beständen gemessen wird. Die Resultate mahnen somit insgesamt zur Vorsicht vor dem Hochskalieren von Resultaten kleinskaliger Experimente.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Wirkung von Kohlendioxid auf den heimischen Wald wohl kaum ertragswirksam werden dürfte, aber auch gravierende, negative Einflüsse sind unwahrscheinlich. Diese Aussage ist insofern wichtig, als in der globalen CO₂-Diskussion immer wieder betont und auch politisch argumentiert wird, dass die CO₂-Anreicherung in der Atmosphäre auch positiv zu sehen sei, denn sie stimuliere das Wachstum der Wälder.

Dennoch sind gewisse Wirkungen unter erhöhtem CO₂ möglich. An Nadelbäumen in mageren Bergwaldböden wurde gezeigt, dass die CO₂-Anreicherung sogar zu einer Hemmung der Nährstoffaufnahme führt. Dort gaben die Bäume die überschüssigen Kohlenhydrate an den Boden ab und Mikroben absorbierten den Kohlenstoff. Letztere wurden damit zu Nährstoffkonkurrenten für die Bäume. Das führte zu dichterem und härterem Holz, ein Effekt, den man mit einer Stickstoffdüngung wiederum aufheben konnte. Interessanterweise zeigten die Schäden des Sturms Lothar, dass raschwüchsige Fichten auf nährstoffreichen Böden bevorzugt am Schaft brachen, während sich langsam wüchsige Fichten auf weniger guten Böden "versteiften" und eher entwurzelt wurden. Darin mag sich die Balance zwischen Nährstoff- und Kohlenstoffversorgung widerspiegeln. CO₂-Anreicherung induziert eine Überversorgung mit Kohlenstoff, sofern Bodennährstoffe nicht im Überschuss vorhanden sind. Somit bleibt die Frage offen, wo der überschüssige Kohlenstoff hingeht, der zwar vermehrt aufgenommen wird, aber weder in der Biomasse, noch in einem erhöhten Recycling wiederzufinden ist.

Der Verbleib dieses "missing carbon" wurde bis heute noch von niemandem schlüssig geklärt. Eine Möglichkeit könnte sein, dass überschüssiger Kohlenstoff vermehrt in gelöster organischer Form oder in anorganischer Form als Bikarbonat mit dem Sickerwasser aus dem Bodenkörper ausgespült wird. Patrick Schleppi und Frank Hagedorn von der Eidg. Forschungsanstalt WSL haben Hinweise gefunden, dass die Bodenlösung unter den CO₂-angereicherten Bäumen in Hofstetten 20-30% mehr gelösten anorganischen Kohlenstoff enthielt. Ausserdem konnten sie zeigen, dass die Laubstreu CO₂-angereicherter Bäume zu Beginn des Abbaus mehr gelösten organischen Kohlenstoff in den Boden entlässt als das Laub von Bäumen in Umgebungsluft. Ausserdem wird mehr Stickstoff mineralisiert. Diese Daten wurden von P. Schleppi et al. (2012) in Global Change Biology publiziert und schliessen einen Teil der Eklärungslücke.