Klimagase aus dem Waldboden - "Spannend wie ein guter Krimi"

Wie sich der globale Wandel auf die terrestrische Biosphäre auswirkt, gehört zu den grundlegenden Themen der Abteilung, die Prof. Dr. Hans Papen am Institut für Meteorologie und Klimaforschung - Atmosphärische Umweltforschung* (IMK-IFU) in Garmisch-Partenkirchen leitet. Innerhalb des BMBF-Forschungsverbundes "Zukunftsorientierte Waldwirtschaft" galt die Aufmerksamkeit vor allem der Frage, welche Folgen ein Waldumbau für die Spurengasflüsse und die Speicherung von Kohlenstoff und Stickstoff mit sich bringt.

»Â» Prof. Dr. Hans Papen
Prof. Dr. Hans Papen ist Leiter der Abteilung "Terrestrische Biosphäre im globalen Wandel" am Institut für Meteorologie und Klimaforschung - Atmosphärische Umweltforschung (IMK-IFU) Garmisch-Partenkirchen.



Welche Gründe bewogen das Institut für Atmosphärische Umweltforschung, sich am Verbundvorhaben „Zukunftsorientierte Waldwirtschaft“ zu beteiligen?
Prof. Dr. Hans Papen: Die Arbeit unseres Instituts untersucht weltweit die Rolle von Wäldern im Zusammenhang von Atmosphäre und Biosphäre. Allgemein gesagt, ist die Biosphäre eine Quelle für verschiedene Treibhausgase wie Kohlendioxid, Lachgas, Methan und Stickstoffmonoxid. Durch die Emission dieser Treibhausgase trägt die Biosphäre ganz wesentlich zur aktuellen Zusammensetzung der Atmosphäre bei. Es ist wichtig, zu verstehen, dass Wälder global gesehen eine entscheidende Rolle für die Konzentration der Treibhausgase in der Atmosphäre spielen. Dieser Frage gilt unsere Forschung; konkret geht es darum, wie sich der Austausch von Treibhausgasen zwischen der Biosphäre und der Atmosphäre vollzieht und wie sich dieser Austausch durch Änderungen des Klimas, der Landnutzung sowie des Nähr- und Schadstoffeintrags in die Ökosysteme verändert.

An welchen Projekten des BMBF-Förderschwerpunktes „Zukunftsorientierte Waldwirtschaft“ hat Ihr Institut gearbeitet.
Das IMK-IFU war an zwei Projekten in Mittelschwaben und im nordostdeutschen Tiefland beteiligt. Im Höglwald (Mittelschwaben) wurden engmaschige Dauermessungen zum Austausch von Spurengasen zwischen Boden und Atmosphäre durchgeführt. Hier interessierte uns zuerst, welche Prozesse dem Austausch zugrunde liegen. Und in einem zweiten Schritt haben wir das zielgerichtete Studium dieser Prozesse genutzt, um ein Modell zu entwickeln, das die Spurengasflüsse von Kohlenstoff und Stickstoff an verschiedenen Standorten darstellen kann. Mittlerweile ist das Modell validiert und es dient nun der Berechnung von Emissions- und Depositionskatastern. Dies war übrigens eine Entwicklung, die erst durch die Förderung des BMBF möglich wurde.

Und was haben solche Untersuchungen mit einem Waldumbau von Nadel- zu Laub- und Mischwäldern zu tun?
Waldumbau kann man durch Verjüngung einleiten; dafür gibt es zwei Methoden. Die radikale ist, einen Kahlschlag durchzuführen. Das heißt alle Fichten eines Bestandes werden geerntet und anschließend wird mit Buchen aufgeforstet.

Welche Konsequenzen hat dieses Vorgehen?
Aus dem Boden werden große Mengen an Lachgas freigesetzt - und das nicht nur über ein Jahr. Inzwischen beobachten wir den untersuchten Standort seit sechs Jahren und noch immer emittieren diese Flächen erhebliche Mengen Lachgas. Außerdem ist Lachgas, d. i. Distickstoffoxid, ein circa 300 Mal wirksameres Treibhausgas als Kohlendioxid.
Die Ursache für die andauernde Emission könnte sein, dass durch das Schlagen der Bäume ein Gegenspieler für die Bodenbakterien ausfällt, mit dem sie sonst um Stickstoff konkurrieren würden. Und da nun außerdem die Wurzeln der geschlagenen Bäume zersetzt werden, steht den Bakterien extrem viel Stickstoff zu Verfügung, den sie verstärkt zu Lachgas (N2O) umsetzen.

Die zweite Verjüngungsmethode, um Waldumbau einzuleiten, ist der Femelhieb...
Der Unterschied ist: Hierbei wird der Wald bzw. der Bestand nicht in Gänze geerntet, sondern es werden einzelne Bäume entnommen, dadurch wird der Wald aufgelichtet und dann mit Laubbäumen wie eben Buchen unterpflanzt. Auch dort tritt eine erhöhte Emission von Lachgas auf. Aber sie fällt deutlich geringer aus als beim Kahlschlag.
So lässt sich im Vergleich von Kahlschlag und Femelhieb erkennen, wie sich bestimmte Methoden des Waldumbaus - in unserem Falle speziell der Verjüngung - auf die Atmosphäre auswirken.

Neben dem Höglwald in Mittelschwaben waren Sie in Untersuchungen im nordostdeutschen Tiefland eingebunden. Standen auch hier die Treibhausgase im Mittelpunkt der Forschung?
Ja, hier haben wir Kiefernreinbestände, Buchenreinbestände und Mischbestände in verschiedenen Umbaustadien untersucht. Die Ergebnisse zeigten: In einem Mischwald mit 10-jährigem Buchenunterbau unter Kiefer wurde noch immer Lachgas emittiert, in einem älteren Mischbestand, in dem die Buchen etwa 30 Jahre erreicht hatten, war der Stickstoffkreislauf bereits fast geschlossen; es wurde also erheblich weniger Stickstoff in gasförmiger Form an die Atmosphäre abgegeben.
Insgesamt konnten wir für das System Mischwald festhalten, dass die Nährstoffkreisläufe geschlossener sind als in Kiefernreinbeständen. Der Grund dürfte unter anderem in der unterschiedlichen Durchwurzelung der Bodenschichten liegen. Bedingt durch das Buchenlaub weist der Boden im Mischwald einen anderen pH-Wert und eine andere mikrobielle Besiedlung auf. Auf dieser Basis vermuten wir, dass Bäume und Mikroorganismen im Mischwald den Stickstoff sehr gut untereinander aufteilen.
Nicht zuletzt, haben die Ergebnisse aus dem nordostdeutschen Tiefland dazu beigetragen, unser Modell weiter zu entwickeln.

Welchen Nutzen bringt dieses Modell mit sich? Und funktioniert das nur im Wald?
Mit dem Waldökosystemmodell PnET-N-DNDC und seiner agrarischen Version, die wir entwickelt haben, können nun Emissionen von klimarelevanten Spurengasen berechnet werden. Das Modell lässt sich auf allen Flächen anwenden, um Emissionskataster zu erstellen, egal ob Wald, Grasland oder Acker. Diese modellbasierten Kataster sind nicht zuletzt genauer als die Faktoren, mit denen Emissionen bisher berechnet wurden. So gesehen ist das Modell von einiger, auch politischer Relevanz.

Welche Ziele waren mit der Arbeit verbunden? Konnten Forschungslücken geschlossen werden?
Das Hauptmotiv unserer Arbeit ist Lösungen für Umweltprobleme zu finden. Unser Institut hat da einen sehr problemorientierten Forschungsansatz.
Eine Forschungslücke ist durch das genannte PnET-N-DNDC-Modell geschlossen worden. Wir können damit Treibhausgasemissionen sehr genau berechnen. Im Rahmen des Kyoto-Protokolls, das die Länder auch zur Angabe der biosphärischen Emissionen auffordert, können wir diese nun tatsächlich sehr zuverlässig berechnen und sogar Daten anderer Länder überprüfen. Wir haben somit auch ein Instrument zur "Kontrolle".

Was hat Ihrer Meinung nach die Arbeit im Verbund gebracht?
Wir hatten ideale Partner und damit eine ideale Zusammenarbeit. Der gegenseitige Datenaustausch hat sehr genutzt. Die Arbeit in diesem Verbund war sehr fruchtbar.

Also konnte die Effektivität, der Nutzen aus der Forschung gesteigert werden?
Für unsere Arbeitsgruppe kann ich darauf mit einem klaren Ja antworten. Wir haben aus der Gemeinsamkeit heraus so ein breites, umfangreiches und zusammenhängendes Bild gewonnen - als einzelne Gruppe hätten wir das nicht bewerkstelligen können.

Was erwarten Sie jetzt von dem Buch und der Website, die nach Abschluss der wissenschaftlichen Projekte des Förderschwerpunktes "Zukunftsorientierte Waldwirtschaft" entstanden sind?
Ich hoffe und erwarte, dass das Buch so spannend gemacht ist wie ein guter Krimi und dass es von vielen Menschen gelesen wird. Der Idealzustand wäre natürlich, dass man es in einem durchliest und nicht eher wieder aus der Hand legt. Ich hoffe, dass die, die es lesen, Nutzen daraus ziehen und danach die Welt etwas mit anderen Augen sehen.
Und einen Internetauftritt halte ich in den heutigen Zeiten für geboten. Die Seite soll ansprechend für den User sein und neugierig machen, so dass man sich von Anfang bis Ende "durchzappt".

Das Gespräch notierte: Daniela Weber ( UFZ Leipzig-Halle)



*) Das Institut für Atmosphärische Umweltforschung gehört zu den wissenschaftlichen Instituten in Deutschland mit der längsten Tradition auf dem Gebiet der Klima- und Atmosphärenforschung. In seinem Ursprung geht das 1954 gegründete Institut auf die von Dr. Reinhold Reiter initiierte und aufgebaute Physikalisch-Bioklimatische Forschungsstelle zurück, 1962 wurde die Forschungsstelle in die Fraunhofer-Gesellschaft übernommen, 1974 erfolgte die Umbenennung zum „Fraunhofer-Institut für Atmosphärische Umweltforschung“ und 2002 die Überführung in das Forschungszentrum Karlsruhe der Helmholtz-Gemeinschaft. Hatte sich das Institut anfänglich auf die Untersuchung meteorologischer Phänomene, der Luftelektrizität und Radioaktivität, konzentriert, verlagerte sich die Forschung seit Mitte der 1980er Jahre hin zur Klima- und Atmosphärenforschung. In jüngster Zeit wenden sich die Wissenschaftler neuen Herausforderungen und Fragestellungen wie der Luftqualität in Mega-Cities, dem Einfluss globaler Klimaänderung auf Ökosystem, Extremereignissen und Wasserverfügbarkeit sowie den ökologischen Folgen von Landnutzungsänderungen zu.



Information und Kontakt:

Prof. Dr. Hans Papen
 Institut für Meteorologie und Klimaforschung - Atmosphärische Umweltforschung (IMK-IFU)
Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Stellv. Leiter IMK-IFU
Kreuzeckbahnstr. 19
82467 Garmisch-Partenkirchen


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