Die Auswirkung steigender atmosphärischer CO2-Konzentrationen auf die Flüsse der Klimaspurengase N2O und CH4 in einem Grünland-Ökosystem

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2001

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http://dx.doi.org/10.22029/jlupub-9908

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Die menschlichen Aktivitäten verändern global und in zunehmendem Ausmaß die Chemie der Atmosphäre und damit das Klima unseresPlaneten. An erster Stelle steht der Anstieg der atmosphärischen CO2-Konzentration, die bereits jetzt um 30 % über den Maximalwertender letzten 300.000 Jahre liegt (280 ppm gegenüber heutigen 370 ppm). Im Gegensatz zur Auswirkung des erhöhten CO2 aufEinzelpflanzen oder Agrar-Monokulturen ist über die längerfristige CO2-Wirkung auf naturnahe, artenreiche Pflanzenbestände wie z.B.Grünland nur wenig bekannt. Änderungen in den C- und N-Kreisläufen und bodenmikrobiologischen Prozessen unter erhöhtem CO2könnten zu Veränderungen in den Flüssen der Klimaspurengase N2O und CH4 führen dies wurde (mit einer Ausnahme) bislang nie längerals 9 Tage in Folge oder gar bei wechselnden Witterungsbedingungen im Freiland untersucht. Die vorliegende Arbeit wurde im Rahmen des Gießener FACE-Experiments durchgeführt (FACE = free air carbon dioxide enrichment).Es umfasst 3 CO2-Anreicherungs- und 3 Kontrollringe, die im Jahr 1997 auf dem Gelände der "Umweltbeobachtungs- undKlimafolgenforschungsstation Linden" aufgebaut wurden. Seit Mai 1998 wird die CO2-Konzentration während der Tageslichtstunden um20 % erhöht. Das seit Jahrzehnten unter Wiesennutzung stehende, artenreiche Grünland wird seit 1996 mit 40 kg N ha-1 a-1 gedüngt undzweimal pro Jahr abgeerntet (mit n = 75 Proben pro CO2-Behandlung und Erntezeitpunkt). Die Spurengasflüsse wurden ab dem Frühjahr1997 bis Dezember 2000 alle 3 bis 4 Tage mit der closed-chamber-Methode gemessen (Haubendurchmesser 1 m, 9 Hauben proCO2-Behandlung = 7 m² überdeckte Fläche). Begleitend wurden im ersten Jahr der CO2-Anreicherung mikrobielle Parameter wie dieAnteile der Prozesse Nitrifikation und Denitrifikation an der Gesamt-N2O-Emission (Acetylen-Inhibierung), dieDenitrifikations-Enzymaktivität (DEA) und die Netto-Nitrifikationsaktivität untersucht, um eintretende Veränderungen in den N2O-Flüssenmöglichst erklären zu können. Die Hypothesenbildungen zur möglichen Wirkung von erhöhtem CO2 auf die Spurengasflüsse beruhte aufVoruntersuchungen, die in drei Publikationen mündeten und im Anhang der Dissertationsschrift zusammengefasst sind. Die seit 1993 geerntete oberirdische Biomasse war vor Beginn der CO2-Anreicherung auf den für das Experiment ausgewähltenFlächen stets nahezu identisch mit der Biomasse der Kontrollflächen (keine signifikanten Unterschiede). Ab der Ernte im September 1999war sie jedoch erstmalig signifikant größer als die der Kontrollringe und blieb es seitdem über die beiden Ernten im Jahr 2000. Im drittenJahr des laufenden FACE-Experiments (2000) betrug der oberirdische Biomassezuwachs 10 %. Verglichen mit den Ergebnissen andererStudien trat der fördernde CO2-Effekt verzögert auf; die Größenordnung des Zuwachses war dagegen vergleichbar mit Experimenten, indenen eine Verdoppelung der CO2-Konzentration an natürlichen oder naturnahen Grasland-Ökosystemen vorgenommen worden war. Inder Zusammensetzung der funktionellen Hauptgruppen Gräser, Kräuter und Leguminosen und im Blattflächenindex (LAI, m²Blattfläche pro m² Grundfläche) konnten bislang keine signifikanten Änderungen untererhöhtem CO2 festgestellt werden. Die CO2-Bestandesatmung war unter CO2-Anreicherung signifikant größer. Die Steigerung wurde höchstwahrscheinlich von einererhöhten Bodenatmung verursacht, da diese den größten Teil der Bestandesatmung ausmachte, und weil der Gehalt an organischem,KCl-extrahierbaren Kohlenstoff signifikant erhöht war. Überraschenderweise war die Erhöhung der Bestandesatmung in den 2,5 Jahren, indenen sie gemessen wurde (ab Herbst 1998) rückläufig, was sich erst über diesen langen Zeitraum offenbarte. Die verzögerte Ausprägungdes signifikanten Zuwachses der oberirdischen Biomasse und der Rückgang der Erhöhung der Bestandesatmung sprechen für einelangfristige Akklimatisierung des Grünlands an die erhöhten CO2-Konzentrationen. Vor Beginn der CO2-Anreicherung waren die N2O-Emissionsraten der Anreicherungs- und der Kontrollflächen nicht signifikantvoneinander verschieden. Seit Beginn des FACE-Experiments zeigte sich jedoch in den Sommer- und Herbstmonaten eine enormeSteigerung der N2O-Emissionen, die unter CO2-Anreicherung auch im dritten Jahr in Folge auftrat. Dadurch betrug die N2O-Abgabe derAnreicherungsflächen im Mittel von 1998 bis 2000 290 % des Kontrollflächenwerts (4,3 kg N2O-N ha-1 a-1 gegenüber 1,5 kg N2O-N ha-1a-1). Die durchgeführten Zusatzmessungen ergaben keine Anhaltspunkte zur Erklärung der stark und nachhaltig gesteigertenN2O-Emissionen unter erhöhtem CO2: Die trockenste FACE-Fläche, welche die höchsten N2O-Emissionen aufwies, besaß die niedrigsteDenitrifikations-Enzym-Aktivität und die geringsten Netto-Nitrifikationsraten. Die Bodenfeuchte (0 15 cm Tiefe, TDR-Sensoren) bliebunter erhöhtem CO2 nahezu unverändert. Die Bodentemperaturen in 5, 10 und 20 cm Tiefe waren im Mittel über die Untersuchungszeit ummaximal 0,2 °C verschieden. Erhöhte Nmin- oder Norg-Konzentrationen konnten unter erhöhtem CO2 nicht festgestellt werden; freiermineralischer Stickstoff war praktisch nicht verfügbar. Da somit die gängigen Erklärungsmuster ausschieden, könnte die Ursache für diehohen N2O-Emissionen in Pilz-(Mykorrhiza-)basierten N-Umsetzungsprozessen zu suchen sein, bei denen frei verfügbarer Stickstoff imBoden nicht nachweisbar wäre sondern im Organismus gebunden bliebe. Zudem sollte gerade Mykorrhiza bevorzugt vom gesteigertenKohlenstoff-Gewinn und verstärkter Wurzelexudation der Pflanzen unter erhöhtem CO2 profitieren können. Diese Hypothese bliebe abernoch zu prüfen. Die im Lindener Grünland gemessenen Methanoxidationsraten waren trotz Düngung und hoher Bodenfeuchte relativ groß. Sie betrugenim Sommer bis 130 µg CH4-C m-2 h-1, vergleichbar den Raten wie sie in neutralen, ungestörten Waldböden gemessen werden können.Vor Beginn der CO2-Anreicherung und während des ersten Jahres (1998) waren die CH4-Oxidationsraten auf den Anreicherungs- undKontrollflächen im Mittel praktisch identisch. Ab dem zweiten CO2-Anreicherungsjahr jedoch war die CH4-Oxidationsrate auf denAnreicherungsflächen rückläufig, was im dritten Sommer des FACE-Experiments signifikant wurde (Anreicherungsflächen: 75 % der Rateder Kontrollflächen). Im September 2000 trat unter oxischen Bedingungen auf der trockensten der CO2-Anreicherungsflächen einCH4-Emissionsereignis mit einem Maximum von 870 mg C m-2 h-1 auf, das die Bilanz des Monats deutlich beeinflusste. Da dieBodenfeuchte unter erhöhtem CO2 nicht stieg, könnten Veränderungen in den Methanotrophen-Populationen die Ursache sein, aber auchverstärkte Methanproduktion unter oxischen oder mikroaeroben Bedingungen, z.B. in der Rhizosphäre. Für beide Spurengase wurde im untersuchten Feuchtgrünland eine positive Rückkopplung von erhöhtem CO2 auf die Prozessegefunden, die zur Zunahme der atmosphärischen Konzentrationen von N2O und CH4 führen können. Die große Diskrepanz zwischen denaufgestellten Eingangshypothesen und den in-situ gemessenen Veränderungen der Spurengasflüsse unter CO2-Anreicherung unterstreichtdie Notwendigkeit, Modellvorstellungen im Freilandexperiment zu überprüfen. Die zahlreichen beobachteten Akklimatisierungseffektedemonstrieren, wie sehr Ergebnisse aus Kurzzeitstudien Effekte unter- oder überschätzen können, wenn diese auf eine höhere (globale)Ebene extrapoliert werden.

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