Erderwärmung begünstigt mikrobielle CO2-Emissionen Atem der Erde: Bodenmikroben werden viel mehr CO2 produzieren

Der Boden atmet – und trübt die CO₂ Bilanz wohl stärker als bislang angenommen. Wie Forscher in einer neuen Studie zeigen, werden die CO₂-Emissionen durch Bodenmikroben bis Ende des Jahrhunderts stark zunehmen. Ursachen sind zunehmende Wärme aber auch veränderte Bodenfeuchtigkeit.

Der Anstieg der Kohlenstoffdioxid (CO₂)-Konzentration in der Atmosphäre ist ein Hauptauslöser der globalen Erderwärmung – zirka ein Fünftel des CO₂ in der Atmosphäre stammt aus Quellen im Boden. Dies ist zum Teil auf die Aktivität von Mikroorganismen wie Bakterien, Pilzen und weiteren Kleinstlebewesen zurückzuführen, die im Boden mithilfe von Sauerstoff organisches Material (z. B. abgestorbene Pflanzenteile) zersetzen. Während dieses Prozesses wird CO₂ in die Atmosphäre freigesetzt, was in der Wissenschaft als heterotrophe Bodenatmung bekannt ist.

Ein Team von Forschenden der ETH Zürich, der Forschungsanstalt für Wald, Schnee und Landschaft WSL, des Wasserforschungsinstituts des ETH-Bereichs, Eawag, und der Universität Lausanne hat nun einer gemeinsame Studie zu Bodenmikroben und deren Treibhausgaswirkung veröffentlicht. Die Forscher haben gezeigt, dass die CO₂-Emissionen, die Bodenmikroben in die Erdatmosphäre abgeben, bis zum Ende dieses Jahrhunderts nicht nur zunehmen, sondern sich auch weltweit beschleunigen werden.

Anhand einer Modellrechnung kommen die Experten zu dem Ergebnis, dass die CO₂-Emissionen von Bodenmikroben bis zum Jahr 2100 drastisch ansteigen werden. Beim ungünstigsten Klimaszenario könnten sie weltweit einen Anstieg von bis zu rund vierzig Prozent er-reichen – im Vergleich zu den heutigen Werten. „Der prognostizierte Anstieg der mikrobiellen CO₂-Emissionen wird also weiter zur Verschärfung der globalen Erwärmung beitragen. Das unterstreicht die dringende Notwendigkeit, genauere Hochrechnungen der heterotrophen Atmungsintensität zu erhalten“, sagt Alon Nissan, Hauptautor der Studie und ETH-Fellow am ETH-Institut für Umweltingenieurwissenschaften.

Der Erdboden als CO2-Speicher

Wie Bodenmikroben auf Klimawandel wirken

Modellrechnung aus Temperatur und Bodenfeuchte

Die Ergebnisse bestätigen nicht nur frühere Studien, sondern sie liefern auch genauere Erkenntnisse über die Mechanismen und das Ausmaß der heterotrophen Bodenatmung in den verschiedenen Klimazonen. Im Gegensatz zu anderen Modellen, die sich auf zahlreiche Parameter stützen, vereinfacht das neue, von Nissan entwickelte, mathematische Modell die Hochrechnungen, indem es bloß zwei entscheidende Umweltfaktoren verwendet: Bodenfeuchtigkeit und Bodentemperatur.

Der Fortschritt des Modells besteht zudem darin, dass es alle biophysikalisch relevanten Ebenen umfasst, von der Mikroebene der Bodenbeschaffenheit und der Wasserverteilung im Boden bis hin zu Pflanzengemeinschaften wie Wäldern, ganzen Ökosystemen, Klimazonen und sogar der globalen Skala. Peter Molnar, Professor am ETH-Institut für Umweltingenieurwissenschaften, unterstreicht die Bedeutung des theoretischen Modells, das die großen Erdsystemmodelle ergänzt, wie folgt: „Von der Bodenfeuchte und Bodentemperatur ausgehend erlaubt das Modell, dass wir die mikrobielle Atmungsintensität viel einfacher abschätzen können. Außerdem verbessert es unser Verständnis dafür, wie die heterotrophe Atmung in verschiedenen Klimaregionen zur globalen Erwärmung beiträgt.“

Nicht nur Wärme sorgt für mehr CO₂-Bildung im Boden

Ein Hauptergebnis der von Molnar und Nissan geleiteten Forschungszusammenarbeit ist, dass der Anstieg der mikrobiellen CO₂-Emissionen in den verschiedenen Klimazonen unterschiedlich ausfällt. In den kalten Polarregionen trägt vor allem der Rückgang der Bodenfeuchtigkeit zum Anstieg bei und weniger ein deutlicher Temperaturanstieg. Das ist anders in den warmen und gemäßigten Zonen. Nissan verweist auf die Empfindlichkeit der Kältezonen: „Schon eine geringe Änderung des Wassergehalts kann in den Polarregionen zu einer erheblichen Veränderung der Atmungsintensität führen.“

Ihren Berechnungen zufolge werden die mikrobiellen CO₂-Emissionen in den Polarregionen unter dem ungünstigsten Klimaszenario bis zum Jahr 2100 voraussichtlich um zehn Prozent pro Jahrzehnt ansteigen, also doppelt so schnell wie im Rest der Welt. Diese Diskrepanz lässt sich auf die optimalen Bedingungen für die heterotrophe Atmung zurückführen, die dann auftreten, wenn sich die Böden in einem „halbgesättigten“ Zustand befinden, also weder zu trocken noch zu nass sind. Diese Bedingungen herrschen in den Polarregionen vor, wenn die Böden auftauen.

Demgegenüber weisen Böden in anderen Klimazonen, die bereits vergleichsweise trocken sind und zu weiterer Austrocknung tendieren, einen vergleichsweise geringeren Anstieg der mikrobiellen CO₂-Emissionen auf. Unabhängig von der Klimazone bleibt der Einfluss der Temperatur jedoch der gleiche: Mit steigender Bodentemperatur steigt auch die Emission des mikrobiellen CO₂.

Bis zu 50 Prozent mehr CO₂ durch Mikroben im Jahr 2100