Brovkin, V.

Goll, D.

MPG.PuRe

Wie Nährstoffmangel den Klimawandel beschleunigen kannHow climate change is accelerated by nutrient limitationGoll, D. S.; Brovkin, V.Max-Planck-Institut für Meteorologie, HamburgKorrespondierender AutorE-Mail: daniel.goll@mpimet.mpg.deZusammenfassungErdsystemmodelle berücksichtigen nicht, dass wichtige Pflanzennährstoffe nur in begrenztem Maße zurVerfügung stehen. Das ist problematisch, da etwa ein Drittel der menschlichen Kohlendioxidemissionen vonPflanzen aufgenommen wird, und dies nur geschieht, wenn genügend Nährstoffe vorhanden sind. Die hiervorgestellte Modellstudie berücksichtigt erstmals die Verfügbarkeit von Phosphor und Stickstoff. Sie zeigt, dasseine Vernachlässigung dieser Verfügbarkeit dazu führt, dass Modelle die zukünftige CO 2-Aufnahme durchPflanzen deutlich überschätzen. Dies beschleunigt den Klimawandel.SummaryEarth System models do not account for the limited availability of essential plant nutrients. Currently, aboutone third of the fossil fuel CO2 emissions is taken up by land ecosystems, but there is no guarantee that thisecosystem service will continue into the future. This study accounts for the first time for the availability ofnitrogen and phosphorus on land. It shows that the omission of nutrient limitation in the models leads to anoverestimation of carbon dioxide uptake by vegetation in future. Reduced CO2 uptake due to nutrientlimitation will accelerate global warming.Pflanzen wirken dem CO2-Anstieg entgegenDie gegenwärtige Konzentration von Kohlendioxid (CO2) in der Atmosphäre ist höher als sie es in den letztenzwei Millionen Jahren war [1], und es wird davon ausgegangen, dass sie mit einer noch nie zuvorbeobachteten Geschwindigkeit weiter steigen wird [2]. Im letzten Jahrhundert hat sich die Temperatur derbodennahen Atmosphäre im globalen Mittel um ca. 0,6 °C erhöht und die Erde wird sich sehr wahrscheinlichum weitere 1,4 - 6,4°C bis zum Ende dieses Jahrhunderts erwärmt haben [2]. Die Ursache für die Erwärmungist der Anstieg in der CO2-Konzentration auf Grund von CO2-Emissionen durch die Nutzung fossilerBrennstoffe, der Zementproduktion und Abholzung. Aber nicht alles CO2, das durch menschliches Handeln indie Atmosphäre gelangt, reichert sich dort auch an. Etwa zwei Drittel der CO2-Emissionen werden vom Ozeanund von den Landökosystemen aufgenommen. Inwieweit Ozean und Land zukünftig weiter CO2 aufnehmen,Jahrbuch 2013/2014 | Goll, D. S.; Brovkin, V. | Wie Nährstoffmangel den Klimawandel beschleunigen kann© 2014 Max-Planck-Gesellschaft www.mpg.de 1/6ist von ausschlaggebender Bedeutung für das zukünftige Klima. Gegenwärtig ist die Funktionsweise derLandökosysteme erst teilweise verstanden, weshalb das Verhalten dieser Ökosysteme eine großeUnsicherheit in Zukunftsprognosen darstellt. Daher untersucht die Abteilung „Land im Erdsystem“ am Max-Planck-Institut für Meteorologie intensiv, wie sich diese Ökosysteme auf die atmosphärische CO 2-Konzentration auswirken.Der Grund für die Aufnahme von CO2 durch Landökosysteme ist ein vermehrtes Pflanzenwachstum [2].Pflanzen entnehmen der Atmosphäre CO2 und wandeln es in Zucker und andere Kohlenhydrate um. DieserProzess nennt sich Photosynthese und die dadurch gewonnenen Kohlenhydrate bilden die Grundlage nahezuallen Lebens auf der Erde. Experimente zeigen, dass Pflanzen besser wachsen, wenn ihnen mehr CO2 zurVerfügung steht und sie dadurch mehr CO2 der Atmosphäre entziehen können. Dieser Effekt wird CO2-Düngung genannt und ist in der Landwirtschaft eine gängige Methode, um Erträge durch CO2-Begasung zusteigern. Der CO2-Düngeeffekt hängt stark davon ab, inwieweit andere lebensnotwendige Ressourcen wieLicht, Wasser und Nährstoffe wie Stickstoff oder Phosphor vorhanden sind [3]. Carl Sprengel erkannte diesschon 1828 und entwickelte das Gesetz des Minimums, welches später durch Justus von Liebig bekanntwurde. Es besagt, dass Wachstum nicht durch die absolute Menge an verfügbaren Ressourcen, sondern durchdie Verfügbarkeit der knappsten Ressource eingeschränkt wird. Da die Verfügbarkeit von CO 2 heute schonhöher ist als in den letzten zwei Millionen Jahren und weiter zunehmen wird, Nährstoffe wie Stickstoff oderPhosphor dies aber nicht in diesem Maße tun werden, ist es fraglich, ob der CO2-Düngeeffekt von Dauer seinwird.Erdsystemmodelle liefern Hinweise auf zukünftige CO2-AufnahmeDie gängige Methode, um den zukünftigen Klimawandel abzuschätzen, sind sogenannte Erdsystemmodelle.Diese Modelle sind darauf ausgelegt, alle klimarelevanten Prozesse innerhalb des Erdsystems abzubilden unddadurch die Folgen von CO2-Emissionen auf das Erdsystem vorherzusagen. Ein Schwachpunkt dieser Modelleist, dass sie das Pflanzenwachstum nur sehr rudimentär abbilden. Im Besonderen beruhen viele Modelle aufder Annahme, dass Nährstoffe wie Stickstoff und Phosphor in unbegrenzten Mengen zur Verfügung stehen. Eswird deshalb vermutet, dass diese Modelle das zukünftige Pflanzenwachstum und dadurch auch die CO2-Aufnahme durch die Pflanzen überschätzen [3, 4]. Die wenigen Modelle, die eine begrenzteStickstoffverfügbarkeit annehmen, bestätigen diese Vermutung und zeigen eine deutlich geminderte CO2-Aufnahme [5]. Eine vergleichbare Studie, die den Einfluss von Phosphor, einem Nährstoff, der vor allem dietropischen Ökosysteme mit ihrer ganzjährigen hohen Produktivität einschränkt, beschreibt, fehlte bis jetzt.Deshalb wurde am Max-Planck-Institut für Meteorologie die Landkomponente des dort entwickeltenErdsystemmodells (MPI-ESM) um die Nährstoffkreisläufe von Stickstoff und Phosphor erweitert [6]. DynamischeLandmodelle mit gekoppelten Kohlenstoff- und Nährstoffkreisläufen sind notwendig, da die Verfügbarkeit vonNährstoffen einerseits vom Klima beeinflusst wird und andererseits die Kreisläufe sich auch untereinanderbeeinflussen. In dem erweiterten Modell hängt nun die Stärke der CO2-Düngung davon ab, inwieweit Stickstoffund Phosphor verfügbar sind. Da die Nährstoffkreisläufe optional hinzugeschaltet werden können, ist esmöglich die zukünftige Landkohlenstoffaufnahme mit und ohne Berücksichtigung von Nährstoffen zuberechnen.Jahrbuch 2013/2014 | Goll, D. S.; Brovkin, V. | Wie Nährstoffmangel den Klimawandel beschleunigen kann© 2014 Max-Planck-Gesellschaft www.mpg.de 2/6Begrenzte Verfügbarkeit von Nährstoffen schränkt die CO2-Aufnahme deutlich einDie Modellergebnisse zeigen tatsächlich einen deutlichen Einfluss der Nährstoffverfügbarkeit. Die akkumulierteAufnahme von Kohlenstoff durch die Landoberfläche ist im Zeitraum von 1860 bis 2100 um 13% (durchHinzunahme des Stickstoffkreislaufs) und um 16% (durch Hinzunahme des Phosphorkreislaufs) geringer alsohne die Berücksichtigung der Nährstoffkreisläufe von Stickstoff und Phosphor. Werden beideNährstoffkreisläufe mitgerechnet, dann reduziert sich die Kohlenstoffspeicherung durch die Landoberfläche um25%. Damit sind Stickstoff und Phosphor gleichermaßen wichtig, die Effekte addieren sich nahezu (Abb. 1).Abb. 1: Simulierte Änderung der Kohlenstoffaufnahme durchdie Landoberfläche im A1B-Szenario. Gezeigt werden die 10-Jahres-Mittel der Bodentemperatur (a), die CO2-Konzentration, vorgegeben in der Simulation (b), und dieresultierende Kohlenstoffaufnahme durch die Landoberfläche(c). C –Nur Kohlenstoff - keine Nährstoffe berücksichtigt; CN –Stickstoff berücksichtigt; CP – Phosphor berücksichtigt; CNP –Phosphor und Stickstoff berücksichtigt.© Max-Planck-Institut für MeteorologieDieser additive Effekt ist auf die deutlichen Unterschiede in dem geographischen Muster der Stickstoff- undPhosphorlimitierung zurückzuführen. Während Stickstoff hauptsächlich in den hohen Breiten die Aufnahmereduziert, wirkt sich das Vorkommen von Phosphor hauptsächlich in den niederen Breiten aus (Abb. 2).Warum gibt es diese geographischen Unterschiede? Eine Erklärung liefert das Alter der Böden. Junge Bödenenthalten typischerweise mehr Phosphor als Stickstoff, der sich erst nach und nach durch biologische Prozesseaus der Atmosphäre anreichert. Phosphor dagegen reichert sich durch Verwitterung von Ausgangsgestein imBoden an. Im Laufe der Zeit wird dieses Gestein immer ärmer an Phosphor und der Eintrag geringer, währendJahrbuch 2013/2014 | Goll, D. S.; Brovkin, V. | Wie Nährstoffmangel den Klimawandel beschleunigen kann© 2014 Max-Planck-Gesellschaft www.mpg.de 3/6mehr und mehr Phosphor in sekundäre Minerale eingeschlossen wird und dadurch nicht mehr zur Verfügungsteht. Das bedeutet, dass alte, sehr verwitterte Böden eher arm an verfügbarem Phosphor sind. Da währendder Eiszeiten die Böden in den hohen und mittleren Breiten durch die Vergletscherung abgetragen wurden,sind die dortigen Böden bedeutend jünger als die in den niedrigen Breiten, wo es Hunderte Millionen Jahrelang keine Vergletscherung gegeben hat. Es gibt noch andere Mechanismen auf kürzeren Zeitskalen vonJahren bis Jahrhunderten, die auch für die geringe Nährstoffverfügbarkeit verantwortlich sein können; hierspielen Faktoren wie Auswaschung und Verflüchtigung eine Rolle [7].Abb. 2: Die Verminderung der Kohlenstoffaufnahme (inkg/m2) durch die Nährstofflimitierung zum Ende des 21.Jahrhunderts. Gezeigt wird die Differenz der mittlerenkumulativen Kohlenstoffaufnahme (2070-2099) zwischen derCN- und der reinen C-Simulation (oben) sowie die Differenzzwischen CP-Simulation und C-Simulation (unten). Rechts:Breitenmittel über Land.© Max-Planck-Institut für MeteorologieNach 2100 zeigen die Simulationen bei weiter steigenden Temperaturen aber gleich bleibender CO2-Konzentration (Abb. 1 a, b), dass es in den mittleren Breiten zu einem Wandel von Stickstoff- zuPhosphorlimitierung kommt. Das Ergebnis ist sehr überraschend, da bisher angenommen wurde, dass diePhosphorlimitierung nur in den Tropen eine Rolle spielt [8]. Bisher ist dies die einzige Studie, die Verfügbarkeitvon Phosphor auf die zukünftige CO2-Aufnahme durch Landökosysteme untersucht. Es bleibt deshalbabzuwarten, inwieweit diese Ergebnisse von anderen Wissenschaftlern bestätigt werden können.Es ist allgemein schwierig die Dynamiken der Nährstoff-Kreisläufe zu quantifizieren, da es einerseits zu wenigeMessungen der Menge an verfügbaren Nährstoffen gibt und anderseits eine Vielzahl von Prozessen nurteilweise verstanden ist [3, 5, 7, 8]. Im Besonderen sind hier Prozesse aufzuführen, die im Boden stattfinden,wie z. B. der Abbau von abgestorbenen Pflanzenteilen und deren Umwandlung in Bodenmaterial und die damitverbundene Freisetzung von Nährstoffen. Deshalb sind nun Wissenschaftler gefragt, die diese Prozesse in derNatur untersuchen, damit aus den Beobachtungen global gültige Zusammenhänge abgeleitet werden können.Dafür sind eine Vielzahl von Messungen und Experimenten in verschiedensten Ökosystemen notwendig. EsJahrbuch 2013/2014 | Goll, D. S.; Brovkin, V. | Wie Nährstoffmangel den Klimawandel beschleunigen kann© 2014 Max-Planck-Gesellschaft www.mpg.de 4/6[1][2][3][4][5][6]wird deshalb noch Jahre dauern, bis wir Modelle entwickeln können, die verlässliche Prognosen über dieNährstofflimitierung von Landökosystemen geben können. Die Arbeit, die in Zusammenarbeit mitinternationalen Wissenschaftlern hier am Max-Planck-Institut für Meteorologie durchgeführt wurde ist einerster Schritt in diese Richtung und führte dazu, dass im neuen Sachstandbericht des Intergovernmental Panelon Climate Change (IPCC) erstmals ein Abschnitt der Phosphorlimitierung gewidmet wurde.Fazit: Die globale Kohlenstoffaufnahme durch die Landoberfläche (Vegetation, Böden) bis zum Ende des 21.Jahrhunderts wird in den gängigen Erdsystemmodellen, in denen kein Phosphor- oder Stickstoffkreislaufmitgerechnet wird, deutlich überschätzt und zukünftige CO2-Konzentrationen in der Atmosphäre unterschätzt.Auf lange Sicht kann die unzureichende Verfügbarkeit von Phosphor eine wichtige Beschränkung für denKohlenstoffkreislauf auch in den hohen Breiten darstellen. Der Phosphorkreislauf sollte also in die zukünftigenModellrechnungen einbezogen werden, um realistischere Projektionen zu erhalten.LiteraturhinweiseHoenisch, B.; Hemming, N.; Archer, D.; Siddall, M.; McManus, J.Atmospheric carbon dioxide concentration across the mid-pleistocene transitionScience 324, 1551–1554 (2009)Denman, K. L.; Brasseur, G.; Chidthaisong, A.; Ciais, P.; Cox, P. M.; Dickinson, R. E.; Hauglustaine, D.;Heinze, C.; Holland, E.; Jacob, D.; Lohmann, U.; Ramachandran, S.; da Silva Dias, P. L.; Wofsy, S. C.;Zhang, XCouplings Between Changes in the Climate System and BiogeochemistryIn: Climate Change 2007: The Pysical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fourth AssessmentReport of the Intergovernmental Panel on Climate Change, lektoriert von Solomon, S.; Qin, D.; Manning, M.;Chen, Z.; Marquis, M.; Averyt, K. B.; Tignor, M.; Miller, H. L. 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