CO2-Rückholung durch natürliche Kohlenstoffsenken

Die Reduzierung der Kohlenstoffeinträge in die Atmosphäre reicht allein nicht aus, um den Klimawandel zu bremsen. Natürliche Kohlenstoffsenken können dabei wirksam unterstützen. Aber es handelt sich oft um sehr fragile Systeme und sie bedürfen besonderen Schutzes. Andernfalls können sie sogar zur Verschärfung des Klimawandels beitragen

Natürliche Kohlenstoffsenken fixieren erhebliche Mengen Kohlenstoff und spielen somit für die CO₂-Rückholung eine bedeutende Rolle, denn sie mindern die Treibhausgaskonzentration der Atmosphäre. Als natürliche Kohlenstoffsenken werden Umgebungen bezeichnet, in denen Kohlenstoff ohne den Einsatz besonderer Techniken für lange Zeit gebunden wird. Es handelt sich also um eine natürliche und nicht anthropogene CO₂-Entnahme. Zu den natürlichen Senken gehören unter anderem biotische Senken wie Wälder, Moore, Grasland, Böden und aquatische Systeme wie zum Beispiel die Meere. In diesen unterschiedlichen Senken haben sich über die letzten Jahre hinweg etliche Gigatonnen Kohlenstoff angesammelt und jedes Jahr binden die Senken neue Kohlenstoffmengen. Theoretisch kann die Kohlenstoffbindung natürlicher Senken auch wachsen: durch Regeneration von Ökosystemen, Wiederaufforstung, Humusaufbau oder Wiedervernässung ehemaliger Moorflächen.

Natürliche Senken haben komplexe Funktionsweisen. Während es mittlerweile zwar möglich ist, den aktuellen Kohlenstoffgehalt einer natürlichen Kohlenstoffsenke maßanalytisch zu bestimmen, kann daraus zum Beispiel nicht auf eine jährliche Kohlenstoff-Bindungsquote geschlossen werden. Es ist also unklar, wie viel CO₂ eine jeweilige Senke pro Jahr aufnehmen kann. Das liegt unter anderem daran, dass sich Kohlenstoffsenken in komplexen Austausch-Beziehungen untereinander, und in einem labilen Gleichgewicht mit der Atmosphäre befinden. Sie können sich gegenseitig beeinflussen und zum Beispiel in ihnen gebundenen Kohlenstoff an andere Systeme abgeben. Dazu kommt, dass die einzelnen Biosphären in sich selbst auch nicht homogen sind und ihre Funktion von einer Vielzahl weiterer Parameter und diversen Wechselwirkungen abhängen. Böden zum Beispiel können erodieren, sich weiterentwickeln und im Laufe der Zeit verändern und dabei Kohlenstoff aufnehmen und abgeben. Dennoch unterstreichen die bisherigen Erkenntnisse die Bedeutung und Sensibilität natürlicher Lebensräume und deren Einfluss auf das Weltklima. Generell gilt: solange sich Kohlenstoffsenken weiterentwickeln, also z.B. wie Wälder oder Moore an kohlenstoffreicher Biomasse zunehmen, binden sie mehr Kohlenstoff, als sie abgeben. Damit tragen sie auf natürliche Weise dazu bei, der Atmosphäre CO₂ zu entziehen.

Wie vielfältig die Möglichkeiten sind, Einfluss auf den Kohlenstoffgehalt der natürlichen Senken zu nehmen, zeigen die Erfahrungen in der Land- und Forstwirtschaft. Eine reduzierte Bodenbearbeitung (pflugarm/pfluglos), die Vermeidung von Monokulturen, der Anbau humusmehrender Pflanzen als Zwischenfrucht, die Reformierung der Tierhaltung und die Reduzierung des Pestizideinsatzes sind wichtige Ansätze, den Kohlenstoffgehalt des Bodens zu stabilisieren und zu mehren. Ökologische Anbaumethoden sind ein wichtiger Schlüssel, die Böden zu schützen und Humus aufzubauen.

Werden die natürlichen Senken allerdings durch Einflüsse von Mensch oder Klima gestört oder sogar zerstört, kann dies die Freisetzung von über Jahrhunderte gespeicherten Kohlenstoffmengen bewirken. Durch Landnutzungsänderung, Übernutzung von Wäldern und Böden, aber auch durch Trockenheit und Waldbränden, kann der in Senken gespeicherte Kohlenstoff als CO₂ in die Atmosphäre gelangen. So kann eine CO₂-Senke zur CO₂-Quelle werden, mit potenziell gravierenden Auswirkungen für das Weltklima. Neuerdings wurde dies am Amazonas-Regenwald beobachtet, und auch auftauende Permafrostböden sind ein Beispiel. Um das Ausmaß dieser Gefahr deutlich zu machen, lohnt sich ein Blick auf die Zahlen: Weltweit wurden 2019 etwa 36.441 Millionen Tonnen CO₂ anthropogener Klimagase ausgestoßen. In den natürlichen Senken werden schätzungsweise 40.800 Milliarden Tonnen Kohlenstoff gespeichert, was einer Menge von etwa 149.736 Milliarden Tonnen CO₂ entspricht (Umrechnungsfaktor 3,67). Das bedeutet: Natürliche Senken speichern mehr als die 4000-fache Menge des jährlich anthropogen ausgestoßenen CO₂. Die Folgen, wenn natürliche Senken den Kohlenstoff wieder freigeben, könnten also gravierend für das Klima werden.

Die natürlichen Senken stehen demnach in zweifachem Zusammenhang mit der Frage der Klimarettung: Erstens haben sie das (schwer quantifizierbare) Potenzial, zusätzliche Mengen von Kohlenstoff aufzunehmen. Zweitens aber: Um dies leisten zu können, darf die globale Temperatur nicht allzusehr steigen, weil viele Senken sonst ihre Aufnahmekapazität einbüßen und sogar zu gigantischen weiteren Kohlenstoffquellen werden können. Schon aus diesem Grund ist die Voraussetzung für ein Nachdenken über natürliche Kohlenstoffsenken der schnellstmögliche Ausstieg aus der Produktion weiterer Treibhausgase. Das bedeutet: Den Ausstoß von Klimagasen zu reduzieren ist essentiell, um die natürlichen Senken zu erhalten und den Kohlenstoff dauerhaft zu binden.

Das Potenzial der natürlichen Senken Kohlenstoff aufzunehmen, ist nicht unendlich. Das liegt nicht nur an biophysikalischen Grenzen, sondern auch daran, dass der Erhalt und Ausbau natürlicher Senken meist in direktem oder indirektem Konflikt mit anderen Landnutzungsbestrebungen liegt. Im folgenden Abschnitt werden die Funktionen aller vorhandenen natürlichen Senken erklärt: von Permafrostböden und Grünflächen über Wälder bis zu Eis und Ozeanen. In diesem Heft werden wir die Moore präsentieren - sie haben pro Flächeneinheit gemessen das höchste Senkenpotenzial und sind damit besonders spannend. Wissenswertes zu allen anderen Senken kann online über den QR-Code abgerufen werden.

Moore

Obwohl Moore nur 3% der Landoberfläche bedecken, sind etwa 30% des in Böden gebundenen Kohlenstoffs (462 Gt) in Mooren gespeichert. Das ist fast doppelt so viel wie weltweit durch Wälder gespeichert wird. Mit 1.419.000 ha, und knapp 4% der Gesamtfläche, liegt Deutschland leicht über dem weltweiten Flächenanteil der Moore. Dabei konzentriert sich die Verbreitung mit rund 20% auf das Alpenvorland und weiteren 78% auf das norddeutsche Tiefland. Allerdings ist davon auszugehen, dass mindestens 99% der deutschen Moore stark bis sehr stark degradiert sind.[19]

Wie Abbildung 2 auf der folgenden Seite zeigt, entwickeln sich Moore typischerweise aus vernässten Senken über einer Stauschicht zu einem Niedermoor. Ist die Senke vollständig gefüllt mit Sedimenten unterschiedlicher Art, wird es allmählich zu einem Hochmoor. Das Niedermoor wird ausschließlich vom Grundwasser beeinflusst. An den abgelagerten Schichten kann abgelesen werden, dass ein Niedermoor anfänglich noch stark kalkhaltig ist. Die Kalkmudde entwickelt sich aus Kleinstorganismen, Mollusken und anderen kalkhaltigen Einträgen. Erst allmählich versauert ein Moor, das dann Übergangsmoor genannt wird. Ein Hochmoor hebt sich während der weiteren Entwicklung immer höher aus dem Grundwasser und wird in der oberen Schicht nur noch von Niederschlägen gespeist. Der dortige Torf wird Weißtorf genannt. Anhand der topographischen Lage und des Stoffhaushalts werden die Moore noch weit differenzierter klassifiziert. Aber allen gemein ist die typische Entwicklung wie zuvor beschrieben.

Weißtorf ist weit geringerem Druck ausgesetzt und enthält fast vollständige Pflanzenfasern. Der tiefer liegende Schwarztorf dagegen ist deutlich stärker komprimiert. Die dort enthaltenen organischen Fasern sind stärker zersetzt. Unter dem höheren Druck beginnt die Inkohlung, bevor in einem späteren Prozess Braunkohle entsteht. Sowohl Schwarz- als auch Weißtorf sind mit pH-Werten zwischen 2 und 4 sehr stark versauert, vergleichbar mit konzentrierter Zitronensäure (pH 2,08) oder Schwefelwasserstoff (pH 3,97).

Einträge von CO₂ aus der Luft, aus Kadavern und Pflanzenresten sorgen für eine ständige Kohlenstoffzufuhr in die Moore. Durch Verwesungsprozesse an der Oberfläche werden CO₂ und Methan auch in die Atmosphäre freigesetzt (sofern das Moor nass ist) oder alternativ Lachgas (N₂O), falls das Moor teilw. ausgetrocknet ist oder trockengelegt wurde. Bei intakten (wachsenden) Mooren ist der CO₂ -Eintrag signifikant größer als der Austrag von CO₂ und CH4 zusammen. Weil die dafür benötigten aeroben Bakterien in diesem sauren, sauerstoffarmen oder -freien Milieu keinen Lebensraum haben, kann organische Substanz sich kaum zersetzen. So lange das Moor wassergesättigt ist, speichert es Kohlenstoff dementsprechend dauerhaft ein.

In der Vergangenheit wurden zahlreiche Moore ausgetorft, und der Torf entweder energetisch genutzt oder als humose Beimengung zu Gartenerde verwendet. Entwässerungskanäle legten große Bereiche der Moore trocken. Einmal trockengelegte Moore werden durch die aerobe Zersetzung des Torfs zu erheblichen CO₂- und Lachgas-Quellen. Die für Moore typische säureliebende, hydrophile Vegetation stirbt ab und wird durch andere Pflanzen, die trockenere Standorte bevorzugen, ersetzt.

Ausgetorfte Moore zu reaktivieren, wird zunehmend versucht, indem sie durch Flutung der Entwässerungskanäle wieder vernässt werden. Einmal trockengelegte Moore lassen sich aber nur sehr schwer wieder herstellen und bergen obendrein erhebliche Risiken. Der Prozess bis zur Wiederherstellung des stabilen natürlichen Gleichgewichts dauert oft mehrere hundert Jahre. Während dieser Zeit stirbt die vorhandene moorfremde Flora allmählich ab und wird erst in einer späteren Phase durch die typische Moorvegetation, die überwiegend aus Moosen und Binsen besteht, wieder ersetzt.

CO₂, Methan und Lachgas aus aerober Verwesung können den Klimawandel zunächst beschleunigen. Erst wenn sich das saure Milieu nach vielen Jahrzehnten oder länger erneut eingestellt hat, wird die aerobe Zersetzung durch anaerobe Prozesse abgelöst. Dann überwiegt erneut der Kohlenstoffeintrag in das Moor. Das Moor wird wieder zu einer CO₂-Senke.

Erhaltenswerte Moore wieder zu reaktivieren lohnt sich in jedem Fall, weil mit zunehmender Reife die Speicherfähigkeit von Kohlenstoff vergrößert wird. Die Phase als CO₂-Senke dauert so lange an, bis die Moore nach vielen hundert bis mehreren tausend Jahren vollständig verlandet sind.

Ein großes Problem stellt gegenwärtig die Wiederbeschaffung bzw. der Ankauf ehemaliger Moorflächen dar, um sie der heutigen agrarischen Nutzung zu entziehen. So kann es sein, dass wirtschaftliche Interessen der Landwirtschaft insbesondere durch den Eintrag mineralischer und organischer Dünger in Konkurrenz mit den Interessen des Natur- und Arten- sowie des Klimaschutzes bei der Wiederherstellung zusammenhängender Moorflächen stehen.

Fazit

Die Zusammenhänge sind schon lange bekannt. Im Oktober diesen Jahres beschlossen Bund und Länder eine Vereinbarung, um die Moore zu schützen und wieder zu vernässen. Ziel ist es, den Treibhausgasausstoß aus Mooren bis 2030 jährlich um fünf Millionen Tonnen zu senken. Das gesamte Potenzial der Kohlenstoffbindung beträgt nach Schätzungen des Potsdam-Instituts für Klimafolgenforschung (PIK) und des Helmholtz-Zentrums für Umweltforschung (UFZ) bis zu 35 MtCO₂äq/Jahr.

Die Einstellung des Torfabbaus und die anschließende Wiedervernässung der Flächen wirken sich langfristig positiv auf die Ziele des Naturschutzes aus. Zudem ergeben sich Synergieeffekte mit einer Vielfalt von Ökosystemleistungen wie z.B. der Gewässergüteregulierung. Über die Paludikultur (land- und forstwirtschaftliche Nutzung nasser Hoch- und Niedermoore) bieten sich Konzepte zu einer nachhaltigen Bewirtschaftung degradierter wiedervernässter Gebiete an.

Abgesehen davon kann aber auch jede*r persönlich etwas zur Wiederherstellung intakter Moore beitragen - z.B. durch Übernahme einer Moorpatenschaft, die von zahlreichen Umwelt- und Naturschutzorganisationen vermittelt wird.

Gestein

An der Grenzschicht von Gesteinen gegen Wasser oder die Atmosphäre stellt sich ein chemisches Gleichgewicht ein. Basalt ist reich an Feldspat mit hohen Anteilen von Kalziumsilikaten. Mit dem CO2 in der Luft reagieren Ca-Silikate nach dem Herauslösen von Calcium und Sauerstoff durch exotherme Reaktion zu Kalziumkarbonat. Dieses ist dauerhaft gebunden, sofern es nicht durch Wasser wieder gelöst wird. Je größer die Oberfläche des Basalts, desto mehr und schneller kann CO2 gebunden werden. In Island werden Verfahren entwickelt, um CO2 in gemahlenem Basalt technisch aus der Atmosphäre zurück zu holen und dauerhaft im Gesteinsmehl zu binden. Ein ähnlich gut geeignetes Gestein ist das recht seltene Dunit[2], das zu etwa 40% aus Magnesiumoxid besteht.

Die natürliche Fähigkeit von Gesteinen zur Bindung von Kohlenstoff ist jedoch eher gering. Sie beträgt pro Jahr etwa 1,1 Gt [3].

Böden

Natürlich gelagerte Böden bestehen etwa zur Hälfte aus Kohlenstoff. Lassen wir die Moore mit einer Sonderstellung unberücksichtigt, sind gegenwärtig etwa 1.000 Gt Kohlenstoff in Böden gespeichert. Unter normalen Umständen stellt sich ein Gleichgewicht mit der Atmosphäre ein. D.h. einerseits entweichen durch organische Zersetzung klimawirksame Gase in die Atmosphäre. Andererseits wird Kohlenstoff in organischen Materialien wie z.B. Laub oder Kadaver in den oberen Bodenschichten fixiert. Auch kann CO2 aus der Atmosphäre mit Bodenwasser und calziumhaltigen Mineralien zu Kohlensäure (H2CO3) oder Kalziumkarbonat (CaCO3) reagieren und so im Boden fixiert werden.

Durch Bildung von Kohlensäure können Böden allmählich versauern. Normalerweise wird mehr CO2 in den Boden eingetragen als entweichen kann. Organische Substanzen werden im zunehmend sauren Milieu des Bodens „konserviert“.[4] Das liegt daran, dass organische Zerfallsprozesse (Verwesung) gewöhnlich unter Einfluss von Sauerstoff ablaufen (aerob). Werden diese aber vom Sauerstoff abgeschlossen, können Organika nicht mehr zerfallen: sie bleiben in der Substanz erhalten, also konserviert. Nur als Beispiel: "Lebensmittelkonserven" werden genau so haltbar gemacht. Gleichzeitig dienen Böden als wichtiges Kohlenstoff- und Nährstoffreservoir für Pflanzen.

Man könnte nun denken: Alles ist gut: Das „böse“ CO2 ist gut im Boden aufgehoben. Doch der Schein trügt: Kohlenstoff ist nur so lange im Boden gespeichert, wie dieser unberührt bleibt. Wird der Boden jedoch durch landwirtschaftliche Nutzung, Waldrodung oder Bautätigkeit gestört, wird aus der Kohlenstoffsenke eine Kohlenstoffquelle. Über viele Jahrzehnte eingelagerter Kohlenstoff entweicht nicht nur als CO2, sondern zunehmend als Methan, weil unter Sauerstoffzufuhr die organische Zersetzung wieder einsetzt. Methan ist mindestens 25 Mal klimaschädlicher als CO2.

Permafrost

Bei Permafrostböden handelt es sich um seit vielen Jahrzehnten, oft Jahrhunderten, dauerhaft gefrorene Böden. Der in ihnen enthaltene Kohlenstoff wurde durch Gefrieren konserviert. Beim Auftauen dieser Böden z.B. durch dauerhafte Erwärmung des Klimas würde der Zersetzungsprozess wieder einsetzen und Methan sowie Lachgas freigesetzt. Lachgas (N2H) ist um den Faktor 300 klimaschädlicher als CO2. Zusätzlich wird unter hohem Druck und niedriger Temperatur eingefrorenes Methan (Methanhydrat) freigesetzt.

Permafrostböden nehmen etwa 25% der Erdoberfläche ein. Die Böden können regional über 1.500 m tief gefroren sein.[5] Forscher des Permafrost-Kohlenstoff-Netzwerkes schätzen die im Permafrost fixierte Kohlenstoffmenge auf 1.300 – 1.600 Gt.[6] Die gegenwärtige fortschreitende Klimaerwärmung ist die Ursache für eine stetige Verschiebung der Permafrostgrenze nach Norden.[7] Im Zeitraum zwischen 2007 und 2016 ist nach Untersuchungen des Alfred-Wegener-Instituts ist die Temperatur global um 0,3°C angestiegen. Allerdings erfolgte der Temperaturanstieg regional sehr unterschiedlich mit Spitzen von mehr als 1°C in Sibirien. Als Folge tauen die Permafrostböden zunehmend auf, was nicht nur durch eine erhöhte Wärmezufuhr aus der Atmosphäre und der solaren Einstrahlung unterstützt wird. Gleichzeitig sorgt eine zunehmende Schneedecke oft dafür, dass die Böden im Winter nicht ausreichend auskühlen können.[8]

Als Folge auftauender Permafrostböden wird der in ihnen gebundene Kohlenstoff in Form von CO2, vor allem aber auch Methan und Lachgas in vergleichsweise kurzen Zeiträumen wieder freigesetzt. Durch auftauende Tierkadaver und Menschenkörper können aber auch Sporen, Bakterien und Viren freigesetzt werden, über deren Infektiosität derzeit noch viel zu wenig bekannt ist. Jedoch hat es bereits Fälle gegeben, wo z.B. in Lappland ein vor 70 Jahren aufgetautes Rentier Milzbrandsporen freisetzte, die in einem Dorf 20 Menschen töteten. Auch aus Sibirien ist eine Milzbrandepidemie aus 2016 bekannt, an der 73 Menschen erkrankten und ein Junge starb.

Durch den Gasdruck (Methan, Lachgas) im Untergrund infolge organischer Verwesung können zudem große Krater entstehen, wenn das Gas schlagartig in die Atmosphäre entweicht.

Biotope

Die gesamte Biomasse besteht zu erheblichen Teilen der Trockensubstanz aus Kohlenstoff. Im Verlauf der Pflanzenentwicklung wird Kohlenstoff eingelagert (Zucker, Zellulose). Gleichzeitig sind Biotope sehr empfindlich. Werden sie durch anthropogene Eingriffe gestört oder gar zerstört, geht der zuvor eingelagerte Kohlenstoff in Form von CO2, Methan oder Lachgas in kurzer Zeit in die Atmosphäre über. Mehrere Biotope lassen sich besonders hervorheben: Wälder, Wiesen (einschl. Brachen und Krautschicht) sowie Moore. Auf letztere gehe ich später ein.

Wälder

Wälder sind nicht nur eine reine Ansammlung unterschiedlicher Gehölze, sondern bilden einen komplexen Lebensraum mit symbiotischen Beziehungen. Bäume bilden eine Symbiose mit zahlreichen Bodenorganismen, insbesondere mit Pilzen wie z.B. den verschiedenen Mykorrhiza-Arten. Mit ihnen können Bäume neben der Aussendung von Duftstoffen kommunizieren, Informationen austauschen. Peter Wohlleben, Förster und Baumexperte aus der Eifel [9], bezeichnet dieses gigantische Netz aus Myzelen als das „Wood Wide Web“.

Die Leistungsfähigkeit der Einzelbäume sei an folgenden Beispielen veranschaulicht:

Eine 35 m hohe Fichte von 100 Jahren hat ein Holzvolumen von 3,4 m³, ein Gewicht von 1,4 t und enthält 0,7 t Kohlenstoff bzw. 2,6 t CO2e (1 t Kohlenstoff entspricht 3,72 t CO2-Äquivalenten). Eine gleich große Buche mit einem Gewicht von 1,9 t speichert dagegen 0,95 t Kohlenstoff bzw. 3,5 t CO2e). Viele Laubbäume lagern also mehr CO2 ein als Nadelbäume, weil deren Holzdichte meistens höher ist. Darüber hinaus produziert die gleiche Buche dabei jährlich rund 4,6 t Sauerstoff. Damit kann ein durchschnittlicher Mensch mehr als 13 Jahre atmen. Zudem benötigt die Buche beim Wachstum rund 2,06 t Wasser. Etwa die Hälfte wird wieder über die Blätter verdunstet und kühlt die Luft.[10]

Bild 1: Klimawirksamer Stoffwechsel der globalen Wälder (Angaben in Gt/Jahr). Grafik: H.-J. Münnig

Wälder bedecken 30 % der Landoberfläche. Darin sind ca. 280 Gt Kohlenstoff gebunden. In Waldböden lagert noch einmal über 500 Gt, so dass Wälder mehr Kohlenstoff enthalten als die gesamte Atmosphäre (rd. 750 Gt).

Von besonderer Bedeutung sind naturbelassene Wälder, vor allem tropische Regenwälder. Dort wachsen Bäume oft deutlich schneller als in den gemäßigten Zonen, binden damit auch mehr CO2. Ebenso ist die Gesamtmasse der einzelnen Bäume viel höher. Die Funktion als CO2-Senke können Wälder nur dann ausüben,wenn sie nicht gestört oder gar zerstört oder wenigstens nur moderat genutzt werden. Aktuell sind zahlreiche Regenwälder durch Abholzung oder Brandrodung zugunsten neuer landwirtschaftlicher Flächen bedroht. Infolge des durch Brandrodung freigesetzten CO2 sind viele Regenwälder inzwischen zu CO2 -Quellen geworden und belasten zusätzlich die Atmosphäre.[11]

Aber was ist generell besser: Einen Wald völlig unberührt zu lassen oder ihn (maßvoll) zu bewirtschaften? Fachleute vertreten inzwischen sehr unterschiedliche Ansichten. Versuchen wir doch einmal, in dieses Dickicht verschiedener Meinungen und Erkenntnisse etwas Licht zu bringen.

Ein „produktiver“ Wald bindet aufgrund seines höheren Stoffwechsels durch Photosynthese mehr CO2 als ein überalterter Wald, dessen Bäume kaum noch Massezuwachs haben, viele sehr alte Bäume bereits absterben und nur wenig Jungtriebe nachwachsen. Überwiegt die Zahl der Totgehölze, kommt die CO2-Bindung des Waldes zum Erliegen und wird fortschreitend kippen. Mit zunehmender Überalterung eines Waldes überwiegt der CO2-Ausstoß.[12]

Daraus folgern wir, dass generell jüngere oder sich stetig verjüngende Wälder ein höheres CO2 -Bindungspotenzial aufweisen als überalterte Wälder. Allerdings ist der Schluss, wir bräuchten dann ja nur eine Vielzahl junger Stämmchen anpflanzen, und alle Probleme seien (kurzfristig) gelöst, fehlerhaft. Denn sehr junge Bäume können aufgrund ihrer noch geringen Masse nur wenig CO2 umsetzen. Dies gelingt ihnen erst ab einer Höhe von etwa 15 Metern bei einem Stammdurchmesser ab 40 cm. Dafür muss ein Baum schon bei günstigen Standortbedingungen mehrere Jahrzehnte wachsen.

Ein mit Augenmaß bewirtschafteter Wald kann unter Umständen eine größere Fähigkeit zur CO2-Bindung entfalten als ein unberührter Wald. Andererseits ist die Biodiversität in „Urwäldern“ viel höher als im Wirtschaftsforst. Deshalb darf nicht allein die Leistung der Summe aller Bäume eines Waldes in die Betrachtung einfließen. Wesentlich ist das Zusammenspiel aller Komponenten: die Symbiose aus Bäumen, Moosen, Flechten, Pilzen, Gräsern und Kräutern. Erst das macht einen Wald zu einem funktionierenden Bio-System, das nebenbei vielfältige Leistungen erbringt, die weit über die Grenzen des Waldes hinausreichen: Kohlenstoff-Senke, Luftfilter, Klimaanlage als Frischluft- und Kaltluftquelle, Luftbefeuchter und „Psychologe“ für unser aller Wohlbefinden.

Wiesen / Brachen / Krautschicht

Weltweit sind in Wiesen und anderen Grünflächen rund 160 Gt Kohlenstoff gespeichert. 1t Biomasse enthält etwa 1,5t CO2. Die chemische Gleichung für die Photosynthese verdeutlicht dies:

6 CO2 + 12 H2O ––> C6H12O6 + 6 O2 + 6 H2O

CO2 hat eine Molekülmasse von 44, Wasser von 18, Sauerstoff (O2) von 32 und Glucose von 180. Die zu obiger Formel adäquate Massengleichung lautet demzufolge:

264 (CO2) + 216 (H2O) = 180 (C6H12O6 ) + 192 (O2) + 108 (H2O)

Daraus lässt sich ableiten, dass bei der photosynthetischen Bildung von 1 Tonne Glucose das Anderthalbfache dieses Gewichtes an CO2 der Atmosphäre entzogen und in der Pflanze gespeichert wird. Gleichzeitig entsteht etwas mehr als 1 Tonne Sauerstoff.[13]

Glucose ist nicht das Endprodukt innerhalb der Pflanzen, sondern eine Reihe längerkettiger Kohlenwasserstoffe wie Zellulose, Hemicellulose, Lignin, Asche u.a. Die über Photosynthese entstandene Glucose wird umgewandelt und bildet dann das Stützskelett der Pflanzen und alle für den Transport von Wasser und Mineralien erforderlichen Kapillarröhren und Sensoren.

Deutschlandweit beanspruchen landwirtschaftliche Dauergrünflächen 4.754.300 ha.[14] Dies entspricht einer jährlichen Biomasseproduktion von etwa 24 Mio. Tonnen. Weltweit sind es 3,55 Mrd. ha mit einer Biomasseproduktion von rund 17 Mrd. Tonnen. Dadurch werden jährlich 48 Mio t (Deutschland) bzw. 34 Gt (global) Kohlenstoff in der Biomasse gebunden und 36 Mio t / 25,5 Gt Sauerstoff der Atmosphäre zugeführt. Damit könnten in Deutschland etwa 127 Mio. Menschen bzw. weltweit fast 90 Mrd. Menschen ein Jahr lang atmen.[15]

Gras, Kräuter auf Argrarland werden jährlich mehrmals gemäht bzw. gefressen. Das ist auch notwendig, um eine Wiese dauerhaft zu erhalten. Überlässt man das Grünland sich selbst, würde es sich sukzessive entsprechend der jeweiligen Standortbedingungen weiterentwickeln. Außerdem ist es wichtig, dass die Wiese „betreten“ wird, weil zahlreiche biotoptypische Pflanzen genau das brauchen. Durch die Mahd wird ein Teil des in der Biomasse gebundenen CO2 wieder freigesetzt bzw. in andere Biomasse umgewandelt. Ein weiterer Teil wird in der oberflächennahen Humusschicht des Bodens eingelagert. Über eine längere Zeitspanne ergibt sich eine Bilanz deutlich zugunsten des im Bodenhumus und den unterirdischen Pflanzenteilen (Wurzeln, Knollen, Rhizome, etc.) gespeicherten Kohlenstoffs.

Wasser

Wasser befindet sich mit der darüber angrenzenden Atmosphäre in einem steten chemischen Gleichgewicht. Steigt der CO2-Gehalt der Atmosphäre, wirkt sich das auch auf Gewässer aus: CO2 löst sich im Wasser zu Kohlensäure (H2CO3). Das Wasser versauert. Natürliche Süßgewässer mit Fischbesatz haben einen pH-Wert zwischen 6,8 und 8,2, sind also schwach basisch. Das ist gut für das Wachstum von Mollusken mit einem Exoskelett (u.a. Schalentiere). Mit zunehmendem Eintrag von CO2 verschiebt sich der pH-Wert in den sauren Bereich. Mollusken haben dann Probleme, ihre Kalkskelette zu reparieren oder neu aufzubauen. Muscheln, Krebse oder Schnecken verschwinden langsam aus dem Gewässer und verschieben damit das ökologische Gleichgewicht. Mit ihnen ziehen sich auch Tierarten zurück, die Mollusken auf ihrem Speiseplan haben.

Alle Gewässer können auf Dauer nur bei ausgewogener ökologischer Vielfalt existieren. Die Wasserflora entzieht unter günstigen Bedingungen dem Wasser CO2. Irgendwann sterben die Pflanzen ab oder werden von Fischen, Schnecken o.ä. gefressen. Pflanzenreste sinken auf den Gewässerboden und verrotten dort. Freigesetztes Methan steigt auf, wird aber z.T. in der Wassersäule von zahlreichen Bakterien zersetzt.

Im günstigsten Fall werden abgestorbene Organismen rasch von Sedimenten überdeckt und im Gewässerboden konserviert - solange der Gewässergrund nicht angetastet und das chemische Gleichgewicht im Wasser erhalten bleibt.

Ein stehendes Gewässer wird im Laufe der Zeit verlanden, weil die Sedimente stetig anwachsen. Am Ende steht unter günstigen Bedingungen zunächst ein Niedermoor, später ein Hochmoor. Süßgewässer können sowohl CO2-Senke als auch (unter ungünstigen Bedingungen) CO2-Quelle sein. Überwiegt der CO2- oder Methanausstoß, heißt es: Das Gewässer ist „gekippt“. Natürliches und vielfältiges Leben ist dann meist nicht mehr möglich. Die Cyanobakterien und andere Kleinstorganismen, die mit anaeroben Bedingungen zurechtkommen, übernehmen das Zepter.

Eis

Noch gibt es zahlreiche Flächen in Hochgebirgen und polaren Festlandsregionen, die dauerhaft von mehr oder weniger mächtigen Eispanzern (Festlandeis oder Eisschilde, Gletscher) bedeckt sind. Doch die schmelzen im Zuge des Klimawandels weg. Dabei sind sie für den CO2-Haushalt der Atmosphäre sehr wichtig, weil in ihnen erhebliche Mengen Organismen seit vielen Jahrzehnten, Jahrhunderten oder länger eingeschlossen sind. Darüber hinaus verhält sich die Grenzschicht des Eises ebenso wie die von Gewässern: CO2 aus der Atmosphäre löst sich im Eis – wird aber auch wieder abgegeben. Wächst die Eisschicht, wird das im Eis gelöste CO2 gespeichert. Schmilzt das Eis jedoch, wird zunehmend CO2 freigesetzt.

Ein weiterer Aspekt ist ebenfalls für die Klimaentwicklung wichtig: Die Oberfläche frischen Eises ist im Regelfall weiß oder mindestens sehr hell. Damit reflektiert sie einen Großteil des einfallenden, energiereichen Lichtes (Albedo). Schmilzt das Eis von Gletschern oder Eisschilden, werden die darin eingefrorenen Partikel (Geröll, Staub, etc.) freigelegt und geben der Eisoberfläche eine schmutzig-graue Färbung. Die Oberfläche wird dunkler und nimmt viel mehr Energie aus der Sonneneinstrahlung auf. Der Schmelzprozess wird so beschleunigt.

Neuesten Forschungsergebnissen zufolge könnten die Schmelzwasserflüsse und Gletscherseen dem Klimawandel aber auch zumindest bedingt entgegenwirken. Es hat sich herausgestellt, dass die Schmelzwasserflüsse z.B. in Kanada mehr als 40 Mal so viel CO2 aufnehmen wie der Amazonas. Auf die Fläche bezogen binden Schmelzgewässer täglich bis zu doppelt so viel CO2 wie der brasilianische Regenwald.[16] Man geht davon aus, dass dieser Trend bis zur Mitte dieses Jahrhunderts noch zunehmen wird. Unter anderem auch deshalb, weil die Schmelzwassermenge zunimmt.

Grundwasser

Sickert Oberflächenwasser durch Böden und Gesteinsschichten, kann es neben vielfältigen Mineralen auch weiteren Kohlenstoff aufnehmen (z.B. durch Lösung aus der Humusschicht des Bodens, der Atmosphäre oder aus kohlenstoffhaltigen Gesteinsschichten). In seltenen Fällen steigt der Kohlensäuregehalt des Grundwasser so weit an, dass mineralischen Wässern keine zusätzliche Kohlensäure zugeführt werden muss, um sprudelndes Mineralwasser zu erhalten. Im Vergleich zu anderen natürlichen CO2-Senken spielt das Grundwasser aber keine sehr große Rolle. Doch bleiben die in ihm gelösten Stoffe meist über sehr lange Zeiträume in den Grundwasserleitern gespeichert.

Meere / Ozeane

93% des gesamten Kohlenstoffs (38.000 Gt) und zusätzlich 3 Gt in Plankton sind in den mittleren und tiefen Schichten der Ozeane gespeichert.[17] Derzeit wird davon ausgegangen, das jährlich etwa 0,6 Gt CO2 aus den Ozeanen an die Atmosphäre abgegeben werden, jedoch gleichzeitig über 2,0 Gt im Meerwasser gelöst werden.[18] Saldiert verbleiben also jährlich 1,4 Gt CO2 in den Ozeanen. Die Ozeane enthalten rund 16 Mal soviel Kohlenstoff wie die Landbiosphäre und 60 Mal soviel wie die Atmosphäre vor der Industrialisierung (rund 600 Gt).

Die Quellen des Kohlenstoffs sind vielfältig: Ein Teil wird über Flüsse ins Meer „gespült“. Ein weiterer Teil kommt durch Wechselwirkung des Seebodens (Freisetzung von CO2 und CH4 durch Verwesung) ins Meerwasser. Ein wesentlicher Teil löst sich direkt aus der Atmosphäre in den oberen Wasserschichten der Ozeane. Zwischen allen Schichten der Ozeane herrscht normalerweise ein ziemlich stabiles Gleichgewicht beim Stoffhaushalt. Es wird in etwa – mit leichten Schwankungen – genau so viel Kohlenstoff in eine Schicht hinein getragen wie aus ihr in andere Schichten oder benachbarte nichtmarine Systeme (Atmosphäre, Gesteine, Sedimente, etc.) entweicht. Da die CO2-Anreicherung in der Atmosphäre seit Beginn der Industrialisierung stark angestiegen ist, haben auch die Ozeane mehr Kohlenstoff aufgenommen. Das Problem dabei ist nicht die Einlagerung von Kohlenstoff an sich, sondern die Geschwindigkeit des Anstiegs der CO2-Konzentration.

Darüber hinaus grenzt Meerwasser an sehr viele Medien, die ihrerseits erhebliche Mengen Kohlenstoff beinhalten. Eines davon ist Methanhydrat (Methaneis), das gasförmiges Methan 16-fach komprimiert in einem hochporösen, gefrorenen Eiskäfig einschließt. Dies geschieht unter Bedingungen in einer engen Bandbreite von Wasserdruck und Wassertemperatur. Üblicherweise beginnen die stabilen Vorkommen von Methanhydrat in einer Tiefe von 300 - 1.000 m und reichen dabei bis etwa 3.000 m Wassertiefe – stark abhängig von den äußeren Bedingungen. Ändern sich Druck oder/und Temperatur z.B. als Folge des Klimawandels, wird Methanhydrat instabil, und Methan entweicht in das Meerwasser. Bakterien zersetzen es überwiegend zu CO2. Der Rest entweicht als besonders klimaschädliches Methangas. Ein Teil des CO2 löst sich im Wasser. Als Folge kann das Meerwasser weniger CO2 aus der Atmosphäre aufnehmen. - Ein Teufelskreislauf.

Methanhydrat in den Ozeanen bindet gegenwärtig etwa 1.000 bis 5.000 Gt Kohlenstoff. Das entspricht etwa dem 100- bis 500-Fachen des globalen Jahresverbrauchs von Kohlenstoff aus fossilen Energieträgern. Entsprechend groß sind die Begehrlichkeiten. Doch die Risiken sind erheblich, zumal Methanhydrat quasi als Kitt die Kontinentalhänge stabilisiert.

Generell gilt auch in den Ozeanen das Gleiche wie in den Süßgewässern: vermehrte CO2-Anreicherung versauert das Meerwasser und trägt - neben der Erwärmung des Wassers - maßgeblich zum Absterben von Korallen bei. Ebenso wie Schalen bildende Mollusken sind sie auf ein leicht basisches Milieu angewiesen, weil sich sonst die Korallengerüste auflösen.

Zusammenfassende Ergebnisse

Natürliche Kohlenstoffsenken speichern und fixieren erhebliche Mengen Kohlenstoff. Sie befinden sich dabei in einem labilen Gleichgewicht mit der Atmosphäre. Dieses Gleichgewicht kann leicht durch äußere Einflüsse gestört werden, wodurch CO2-Senken oft zu CO2-Quellen werden.

Sofern diese Kohlenstoffsenken sich weiterentwickeln, also z.B. wie Wälder oder Moore wachsen, sofern also die gesamte Biomasse in ihnen zunimmt, binden sie mehr Kohlenstoff, als sie abgeben. Damit tragen sie auf natürliche Weise dazu bei, der Atmosphäre CO2 zu entziehen. Wie das Beispiel der Moore zeigt, ist es jedoch äußerst schwierig, einmal gestörte Kohlenstoffsenken wiederherzustellen. Dabei kann es vorkommen, dass zunächst sogar mehr CO2, daneben vor allem auch Methan und Lachgas ausgestoßen wird.

Die bisherigen Erkenntnisse unterstreichen die Bedeutung und Sensibilität natürlicher Lebensräume und deren Einfluss auf das Weltklima. Wollen wir ernsthaft das Klima schützen, müssen wir auch die natürlichen CO2-Senken nicht nur erhalten, sondern auch bereits zerstörte CO2-Senken regenerieren. Erst mit ihrer Unterstützung kann es uns gelingen, neben der Reduzierung der gegenwärtigen Ausstöße klimawirksamer Gase auch CO2 aus der Atmosphäre - neben dem Einsatz technischer Hilfen - auf natürliche Weise aus der Atmosphäre zurück zu holen und sicher zu binden.

Den weitaus größten Anteil am weltweit gespeicherten Kohlenstoff haben die Ozeane mit über 93%. Weitere CO2-Einträge würden den marinen Biotopen schaden. Eine sehr große Bedeutung haben naturbelassene Wälder, nach den Mooren, die ihrerseits sehr empfindlich sind.

Quellenverzeichnis

1: Trepel, Michael: Zur Bedeutung von Mooren in der Klimadebatte, In: Jahresbericht des Landesamtes für Natur und Umwelt des Landes Schleswig-Holstein 2007/08, S. 61-74.

2: Best, M. G. und Christiansen, E. H.: Igneous Petrology, 2001.

3: Jessica Strefler, Thorben Amann, Nicolas Bauer, Elmar Kriegler, Jens Hartmann: Potential and costs of carbon dioxide removal by enhanced weathering of rocks, 2018.

4: CLARA – Climate, Land. Ambition and Rights Aliance: Climate Action in the Land Sector – Treading Carefully, 2017.

5: Prof. Dr. Hans-Wolfgang Hubberten: Zusammenhang zwischen Klimawandel und Permafrost. ESKP Earth Sience Knowledge Platform – Helmholtz-Gemeinschaft, 2017.

6: Schuur, E. A. G.u.a.: Climate change and the permafrost carbon feedback, 2015, In: Nature, 171-179.

7: V. E. Romanovsky, D. S. Drozdov, N. G. Oberman, G. V. Malkova, A. L. Kholodov, S. S. Marchenko, N. G. Moskalenko, D. O. Sergeev, N. G. Ukraintseva, A. A. Abramov, D. A. Gilichinsky, A. A. Vasiliev: Thermal state of permafrost in Russia. In: Permafrost and Periglacial Processes. Juni 2010, doi: 10.1002/ppp.683

8: Louise M. Farquharson, Vladimir E. Romanovsky, William L. Cable, Donald A. Walker, Steven Kokelj, Dimitry Nicolsk: Climate change drives widespread and rapid thermokarst development in very cold permafrost in the Canadian High Arctic. In: Geophysical Research Letters. Juni 2019, doi: 10.1029/2019GLO82187

9: Peter Wohlleben: Das geheime Leben der Bäume, 2015.

10: Bayerische Landesforstverwaltung: „Alles über Holz“ 75 Fragen, 75 Antworten, 2016.

11: Houghton, R. A. et al.: Global and regional fluxes of carbon from land use and land cover change 1850-2015 (Global Biogeochemical Cycles, 2017)

12: Bayerische Forstverwaltung: Kontrovers diskutiert: Der Klimaschutzbeitrag der Forst- und Holzwirtschaft, 1/2021.

13: Frühwirth, P.: Grünland schafft Luft zum Leben. Landwirtschaftskammer Oberösterreich, 2021.

14: Statistisches Bundesamt: Bodennutzung der Betriebe - Landwirtschaftlich genutzte Flächen. Fachserie 3 Reihe 3.1.2; teilweise eigene Berechnungen des Umweltbundesamtes, 2021.

15: H.-J. Münnig: Eigene Berechnungen: Ein durchschnittlicher Mensch braucht jährlich ca. 282 kg reinen Sauerstoff aus der Atemluft (7,5 Liter Atemluft pro Minute → rund 197 m³ Luft Sauerstoff bei 5% Verbrauch gemessen an der Atemluft, pro Jahr sind das ca. 282 kg Sauerstoff [1,43 kg/m³]).

16: Nadja Podbregar: Arktis: Schmelzwasser als CO2-Senke. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2019.

17: Jan Lehmköster (Projektleiter) u.a.: Wie der Klimawandel die Chemie der Meere verändert. Aus World Ocean Review 1, 2010.

18: Bosch, Thomas et.al.: World Ocean Review 1 (2010), S. 28

19: Potentiale und Ziele zum Moor- und Klimaschutz. Eine Vision für Moore in Deutschland. Gemeinsame Erklärung der Naturschutzbehörden in Bayern, Brandenburg, Mecklenburg-Vorpommern, Niedersachsen, und Schleswig-Holstein, 2012.