Bei der Photosynthese wird der Atmosphäre Kohlenstoffdioxid (CO2) entzogen und in Kohlenhydrate umgewandelt. Ein Teil dieser Kohlenhydrate wird von der Pflanze selbst gleich wieder veratmet – auch in der Wurzel – und der Kohlenstoff dadurch als CO2 wieder freigesetzt. Diesen Vorgang nennt man autotrophe Respiration.
Der nicht von der Pflanze verbrauchte Kohlenstoff wird in Form zuwachsender Biomasse gespeichert. Über absterbende Biomasse wird dem Boden totes organisches Material, vor allem Streu, zugeführt und in unterschiedlichen Bindungsformen gespeichert. Ein Teil des organischen Kohlenstoffs im Boden wird ständig durch Mikroorganismen abgebaut. Dabei wird CO2 freigesetzt. Dieser Prozess ist die heterotrophe Respiration. Die Differenz aus diesem Abbau des Bodenkohlenstoffs und der Zufuhr toten organischen Materials entscheidet über die Änderung des Kohlenstoffvorrats im Boden. Die heterotrophe Respiration ist somit bedeutend für die Kohlenstoffbilanz.
Die Kohlenstoffvorräte im Boden sind sehr groß, kleinräumig stark schwankend und verändern sich nur in sehr geringem Maß. Zeitlich gestaffelte Aufnahmen des Kohlenstoffvorrats im Boden, um die Änderungen abzuschätzen, ergeben daher meistens keine signifikanten Unterschiede. Alternativ dazu können auch direkt die Kohlenstoffmenge gemessen werden, die den Boden gasförmig verlassen. Die Ergebnisse dieser sogenannten Respirationsmessungen können den Kohlenstoffeinträgen durch Streu und Totholz gegenübergestellt werden. Solche Respirationsmessungen wurden zwischen 2006 und 2009 an fünf bayerischen Waldklimastationen (WKS) ausgeführt.
Methodik der Respirationsmessungen an den WKS
Abb. 1: Respirationswerte an der Waldklimastation Flossenbürg zwischen Juni 2006 und Oktober 2010
An den WKS Altdorf, Flossenbürg, Freising, Ebersberg und Riedenburg wurden jeweils neun Messkammern von etwa 0,2 Quadratmetern Standfläche aufgestellt. In diesen wurde wöchentlich für vier Minuten der CO2-Fluss aus dem Boden gemessen. Der Fluss wird für den Kohlenstoff des gemessenen CO2 in Milligramm je Quadratmeter und Stunde (mg CO2-C/(m2*h)) ausgegeben. Nach einem sechsmonatigen Vorlauf, wurden drei verschieden Varianten angelegt:
- unbehandelt: Drei Kammern je WKS blieben unbehandelt. Hier werden die gesamten, von lebenden Wurzeln und Mikroorganismen freigesetzten CO2-Mengen erhoben (grüne Punkte in Abb. 1).
- ohne Streu: In je drei Kammern wurde die Streuauflage entnommen, um nur die Atmung der Wurzeln und der Mikroorganismen im Mineralboden zu messen (rote Punkte in Abb. 1).
- ohne Wurzeln: Um die letzten drei Kammern wurde ein Graben von 50 bis 70 Zentimeter Tiefe gezogen und alle Wurzeln durchtrennt. Eine Teichfolie hat ein Wiedereinwachsen von Wurzeln verhindert. Hier wird nur das CO2 gemessen, das durch die Atmung der Mikroorganismen entsteht (blaue Punkte in Abb. 1).
Ergebnisse der Respirationsmessungen an den WKS
Die Respirationswerte streuen zeitlich und räumlich sehr stark. Im Mittel werden stündlich 70 mg CO2-C/m2 veratmet (fast 0 bis 500 mg CO2-C/(m2*h)). Die Bodenatmung ist stark von der Temperatur abhängig: Mit steigenden Temperaturen im Frühjahr steigt die Respiration an, erreicht Höchstwerte im Hochsommer und sinkt dann im Herbst stark ab (Abb. 1).
Die unbehandelten Kammern weisen meist die höchsten Werte auf, da sie die Gesamtatmung wiedergeben. Durch die Entnahme der Streu fehlt organisches Material, der CO2-Fluss verringert sich. Noch geringer ist das freigesetzte CO2, wenn die Wurzelatmung fehlt und nur der Abbau toten organischen Materials erfasst wird. Im Winter nähern sich die Werte der verschiedenen Varianten stark an, da über die lebenden Wurzeln der Bäume kaum noch CO2 freigesetzt wird.
Kohlenstoffumsatz im Boden
Abb. 2: Den Verlusten an Kohlenstoff steht der Eintrag durch den Streufall gegenüber (Foto: Klaus Stangl).
Die Hochrechnung der Respiration auf ein Jahr gibt nur eine grobe Vorstellung der Größenordnung. Die gesamte Bodenatmung kann zwischen fünf und acht Tonnen Kohlenstoff pro Hektar und Jahr (t C/(ha*a)) erreichen. Der Anteil der autotrophen Respiration lag an zwei WKS bei etwa 40 Prozent, also zwischen zwei und drei Tonnen C/(ha*a). Somit werden drei bis fünf Tonnen C/(ha*a) des Kohlenstoffspeichers in Streuauflage und Mineralboden jährlich umgesetzt.
Diesen Verlusten steht der Eintrag durch den Streufall gegenüber. Die Summe des jährlichen oberirdischen Streufalls (Nadeln, Blätter, Früchte, Zweige) lag an den WKS Flossenbürg und Freising im Durchschnitt bei 1,7 bzw. 2,7 Tonnen C. Damit liegt er deutlich unter den gemessenen Werten der abgebauten Kohlenstoffmenge im Boden. Aber zusätzlich wird über die "unterirdische Streu", also das Absterben von Fein- und Grobwurzeln, Material zugeführt. Setzt man ein ausgewogenes Verhältnis von C-Zufuhr und C-Abbau voraus, liegt die unterirdische Streu bei ein bis zwei Tonnen pro Hektar.
Für den gesamten Bodenkohlenstoff errechnet sich aus Abbauraten und Vorräten der WKS eine mittlere Verweilzeit zwischen zehn und 80 Jahren. Sie ist stark von der mittleren Jahrestemperatur abhängig: Je kälter der Standort, desto länger die Verweilzeit.
Im Allgemeinen wird von einem Anstieg der Gesamtrespiration mit der Produktivität ausgegangen. Die fünf WKS zeigen diesen Trend nicht.
Ein weiterer Einflussfaktor auf die Bodenatmung ist neben der Temperatur die Bodenfeuchte. Wenn es für die kohlenstoffabbauenden Mikroorganismen zu trocken oder zu feucht wird, ist ein Rückgang der Aktivitäten vorstellbar. Die höchsten Flüsse wurden gemessen, wenn hohe Temperaturen und hohe Bodenfeuchte zusammenfielen.
Auswirkungen des Klimawandels
Die Abhängigkeit der Bodenatmung von der Tempertaur legt nahe, dass sich der Klimawandel auf die Respirationsraten auswirkt. Ob und in welchem Maß das geschieht, ist in der Wissenschaft umstritten. Weitere Einflussfaktoren erschweren die Vorhersagen. Wenn höhere Temperaturen und eine Verlängerung der Vegetationszeit zu einem erhöhten Abbau des Kohlenstoffs im Boden führen sollten, könnte dieser Verlust – ausreichende Wasserversorgung vorausgesetzt – durch eine erhöhte Biomasseproduktion der Wälder ausgeglichen werden. Neben der erhöhten Speicherung in lebender Biomasse würde die Streuproduktion zunehmen und die eventuellen Verluste im Boden ausgleichen. Nach jetzigem Stand sind die Kohlenstoffspeicher in den Waldböden Bayerns stabil und werden eher auf- als abgebaut.
Fazit der Respirationsmessungen an den WKS
Ein Monitoring der Bodenrespiration im Wald ist mit einfachen Mitteln möglich. Aufgrund der starken räumlichen und zeitlichen Schwankungen der Werte müsste die Zahl der Messkammern pro Bestand allerdings deutlich erhöht werden, um repräsentative Aussagen zu erhalten.
Die Ergebnisse zeigen, dass im Waldboden jährlich große Mengen Kohlenstoff umgesetzt werden. Solange die Zufuhr toten organischen Materials diese Verluste ausgleicht, findet keine Veränderung des Kohlenstoffvorrats im Boden statt. In nachhaltig bewirtschafteten, stabilen Wäldern kann zur Zeit davon ausgegangen werden.
