Ein Schatz an „Hauptbüchern“ der Wissenschaftler hilft Wäldern, ihre Kohlenstoffbilanzen aufzuzeichnen

Als Superman der Kohlenstoffbindung emittiert das Waldökosystem tatsächlich auch Kohlenstoff

Wenn wir von Wäldern sprechen, denken wir zuerst an hohe Bäume mit üppigen Ästen und Blättern. Als große Familie terrestrischer Pflanzen absorbieren Wälder Kohlendioxid aus der Atmosphäre und geben durch Photosynthese Sauerstoff ab. Sie sind der „Kohlenstofffixierer“ und natürliche Sauerstoffriegel in terrestrischen Ökosystemen und haben wichtige Beiträge zur Eindämmung der durch Treibhausgase wie Kohlendioxid verursachten Klimaerwärmung geleistet.

Auch hierfür gibt es Belege. Untersuchungen zum Projekt „Ökosystem-Kohlenstoffbindung“ der „Zertifizierung der Kohlenstoffbilanz und damit verbundene Fragen zur Reaktion auf den Klimawandel“ (nachfolgend „Kohlenstoff-Sonderprojekt“ genannt) der Chinesischen Akademie der Wissenschaften zeigen, dass das chinesische Waldökosystem den Hauptteil der Kohlenstoffbindung bildet und etwa 80 % der Kohlenstoffbindung beiträgt.

Abbildung 1 Waldökosystem

(Bildquelle: Veer-Fotogalerie)

Dabei übersehen wir jedoch häufig einen Aspekt: ​​Waldökosysteme absorbieren nicht nur Kohlendioxid durch die Photosynthese und binden dadurch Kohlenstoff, sondern setzen durch die Atmung tatsächlich auch Kohlenstoff frei.

Die sogenannte „Kohlenstoffbilanz“ ergibt sich aus der Subtraktion der Kohlenstoffemissionen von der Kohlenstoffaufnahme. Wenn die Kohlenstoffabsorption größer ist als die Kohlenstoffemissionen, handelt es sich um eine Kohlenstoffsenke . Wir bezeichnen sie üblicherweise als Kohlenstoffsenke im Wald . Wenn die Kohlenstoffemissionen größer sind als die Kohlenstoffabsorption, handelt es sich um eine Kohlenstoffquelle.

Die Kohlenstoffbindung ist nicht so einfach. Berechnen wir die „Einnahmen- und Ausgabenrechnung“

Um Wälder als Kohlenstoffsenken zu nutzen, muss die Kohlenstoffaufnahme größer sein als die Kohlenstoffemissionen. Schauen wir uns nun an, wie diese „Einnahmen- und Ausgabenrechnung“ berechnet wird.

Die Kohlenstoffsenken in Wäldern werden anhand der Größe der einzelnen Komponenten des Kohlenstoffkreislaufs im Waldökosystem gemessen. Die Menge an organischem Kohlenstoff, die von Pflanzen fixiert wird, wenn sie durch Photosynthese Kohlendioxid aus der Atmosphäre aufnehmen, bildet die Bruttoprimärproduktivität (GPP). Um den Wert der Kohlenstoffsenken in Wäldern zu berechnen, muss auch die Menge der Kohlenstoffemissionen abgezogen werden.

Zunächst muss der Atmungsverbrauch der oberirdischen Teile und unterirdischen Wurzeln der Pflanze abgezogen werden, um ihn in die Nettoprimärproduktivität (NPP) umzurechnen. Die Nettoprimärproduktivität manifestiert sich insbesondere als jährliches Wachstum der ober- und unterirdischen Biomasse der Pflanze und der Menge an Abfall (wie etwa abgefallene Blätter, Zweige, Blüten, Früchte usw.), die direkt gemessen werden kann.

Zweitens wachsen Pflanzen auf dem Boden, und als vollständiges Ökosystem muss auch der Verbrauch der heterotrophen Atmung von Bodenmikroorganismen abgezogen werden, um schließlich die Netto-Ökosystemproduktivität (NEP), d. h. die Kohlenstoffsenke des Waldes, zu erhalten.

Natürlich ist es bei der Betrachtung eines größeren zeitlichen und räumlichen Rahmens auch notwendig, nicht-respiratorische Kohlenstofffreisetzungen abzuziehen, die durch verschiedene natürliche und menschliche Einflüsse (wie Feuer, Schädlinge und Krankheiten sowie Abholzung) verursacht werden.

Abbildung 2 Schematische Darstellung des Kohlenstoffkreislaufs in Waldökosystemen

(Bildquelle: vom Autor selbst erstellt)

Bei der Kohlenstoffemission von Wäldern wird der Prozess, bei dem der Boden Kohlendioxid produziert und in die Atmosphäre abgibt, oft als Bodenatmung (d. h. Kohlenstoffemission des Bodens) bezeichnet. Dazu gehören hauptsächlich die heterotrophe Atmung von Mikroorganismen, die organische Stoffe zersetzen, und die autotrophe Atmung von Wurzeln.

Bei der Messung der Kohlenstoffemissionen im Boden wird die Oberfläche üblicherweise für einen bestimmten Zeitraum mit einer Luftkammer abgedeckt. Anschließend wird die Kohlenstoffemissionsrate im Boden berechnet, indem die Veränderung der Kohlendioxidkonzentration im Laufe der Zeit gemessen wird. Die Messung der Kohlendioxidkonzentration erfolgt derzeit üblicherweise mittels Infrarot-Gasanalyse oder Gaschromatographie. Die Bodenatmung ist eine unterirdische „Blackbox“ und es besteht noch immer große Unsicherheit.

Dieser Bericht ist sehr kompliziert und wenn wir ihn klar entschlüsseln wollen, brauchen wir die Hilfe von Wissenschaftlern.

Abbildung 3 Bodenatmungsmesskammer

(Bildnachweis: Foto vom Autor aufgenommen)

Waldökosystem-Datenbank: Eine Fundgrube an Kohlenstoffbilanzen

In meinem Land wurden im Bereich der Waldökologie umfangreiche Forschungsarbeiten durchgeführt.

Durch systematisches Auswerten und Zusammenfassen der Forschungsergebnisse früherer Forschungsarbeiten wurden Datenbanken zu verschiedenen Komponenten des Kohlenstoffkreislaufs des chinesischen Waldökosystems erstellt, wie etwa die Biomassedatenbank (Luo et al., 2014), die Streudatenbank (Jia et al., 2016) und die Datenbank zu Kohlenstoffemissionen im Boden (Sun et al., 2022), außerdem Daten zur Bestandsaufnahme der Waldressourcen und Daten aus speziellen Kohlenstofferhebungen. Auf nationaler Ebene wurden zahlreiche wertvolle Daten über die Kohlenstoffabsorption und -emission gesammelt. Dies ist das Ergebnis der unermüdlichen Bemühungen mehrerer Generationen von Wissenschaftlern, Felduntersuchungen und Messungen auf Stichprobenflächen durchzuführen.

Diese Daten können den strategischen Zielen meines Landes, den CO2-Ausstoß zu maximieren und die CO2-Neutralität zu erreichen, wirksam dienen. Beispielsweise werden die Kohlenstoffabsorption, die Emissionen und die Größe der Kohlenstoffsenke der Waldökosysteme meines Landes auf Grundlage der Waldverbreitungsfläche berechnet. Die vorherrschenden Klimafaktoren (wie Temperatur, Niederschlag usw.) werden verwendet, um ein Modell zu erstellen, mit dem sich die Entwicklung der Kohlenstoffbilanz der Wälder meines Landes unter zukünftigen Klimawandelszenarien vorhersagen lässt. Aus der Perspektive der Emissionsreduzierung und der Erhöhung der Kohlenstoffsenken untersuchen wir Managementmaßnahmen zur Förderung der Kohlenstoffbindung in Wäldern in verschiedenen Regionen entsprechend den örtlichen Bedingungen (wie etwa die Auswahl der Aufforstungsbaumarten, die Bestimmung des maximalen Wachstumsstadiums der Kohlenstoffbindung, geeignete Dichte usw.) und liefern letztendlich grundlegende Daten und wissenschaftliche Unterstützung für die genaue Bewertung und Vorhersage von Kohlenstoffsenken in Wäldern und die Formulierung geeigneter Maßnahmen zur Waldbewirtschaftung.

Kürzlich hat das Institut für Botanik der Chinesischen Akademie der Wissenschaften eine Datenbank zu Kohlenstoffemissionen aus Waldböden für unterschiedliche Zeiträume erstellt . Diese enthält ausführliche Informationen wie Kohlenstoffemissionsraten im Boden und Beobachtungsmethoden, geografische Standorte, Bestandseigenschaften und Klimafaktoren im Stunden-, Monats- und Jahresmaßstab und umfasst eine Stichprobengröße von insgesamt 11.297 Einträgen.

Studien haben gezeigt, dass die jährlichen Kohlenstoffemissionen aus den Waldböden meines Landes zwischen 260 und 2058 g C m^(-2) yr^(-1) schwanken, mit einem Durchschnitt von 852 g C m^(-2) yr^(-1). Im Allgemeinen stoßen immergrüne Wälder innerhalb derselben Klimazone mehr Kohlenstoff aus als Laubwälder und Laubwälder mehr Kohlenstoff aus als Nadelwälder.

Es ist erwähnenswert, dass Bambuswälder, die in früheren groß angelegten Studien zu den Kohlenstoffemissionen von Wäldern oft vernachlässigt wurden, mit durchschnittlich 1134 g C m^(-2) yr^(-1) die höchste Kohlenstoffemissionsrate aufweisen.

Die Einrichtung dieser Datenbank hat eine wichtige theoretische und praktische Bedeutung für die Untersuchung des Kohlenstoffkreislaufs der Wälder in meinem Land und sogar weltweit und verringert die Unsicherheit bei der Bewertung der Kohlenstoffbilanz im großen Maßstab. Zudem dient sie der Verwirklichung der „dualen Kohlenstoffziele“ meines Landes.

Abbildung 4 Vergleich der Kohlenstoffemissionen im Boden in Chinas Waldökosystemen in verschiedenen Klimazonen

EBF: immergrüner Laubwald, DBF: laubabwerfender Laubwald, ENF: immergrüner Nadelwald, DNF: laubabwerfender Nadelwald, MF: Mischwald aus Nadel- und Laubbäumen, BB: Bambuswald.

(a) kalte gemäßigte Zone, (b) gemäßigte Zone, (c) subtropische Zone, (d) tropische Zone.

(Bildquelle: vom Autor selbst erstellt)

Auf dem Weg zum Ziel des dualen Kohlenstoffs ist die wissenschaftliche Forschung auf dem Weg

„Carbon Peak und CO2-Neutralität“ erfordern die Unterstützung von Wissenschaft und Technologie. Wir haben uns die zwei Kohlenstoffziele gesetzt, und zwar keineswegs, um die Lebensqualität aller zu verringern, sondern um zum Schutz unseres gemeinsamen Zuhauses und zur Erreichung einer nachhaltigen Entwicklung der Menschheit beizutragen. Unter ihnen sind wissenschaftliche und technologische Innovationen der Schlüssel zur Erreichung sowohl der wirtschaftlichen und sozialen Entwicklung als auch des Erreichens des CO2-Peaks und der CO2-Neutralität.

Im März 2022 gab die Chinesische Akademie der Wissenschaften außerdem offiziell den „Strategischen Aktionsplan der Chinesischen Akademie der Wissenschaften zur wissenschaftlichen und technologischen Unterstützung von Carbon Peaking und Carbon Neutrality“ bekannt. Derzeit unternehmen nicht nur Wissenschaftler im Bereich der Kohlenstoffbindung, sondern auch in den Bereichen Stromerzeugung und Energieverbrauch Anstrengungen. Darüber hinaus gibt es eine Reihe grundlegender wissenschaftlicher Fragen, die einer eingehenden Untersuchung bedürfen. Der Weg, den Wissenschaft und Technologie bis zur dualen Kohlenstofferzeugung zurücklegen müssen, ist lang und beschwerlich, und wir müssen härter arbeiten!

Quellen:

[1]Fang JY, Yu GR, Liu LL, Hu SJ, Chapin FS. 2018. Klimawandel, menschliche Auswirkungen und Kohlenstoffbindung in China. PNAS, 115, 4015-4020.

[2]Jia BR, Zhou GS, Xu ZZ 2016. Waldstreufall und seine Zusammensetzung: ein neuer Datensatz von Beobachtungsdaten aus China. Ökologie, 97(5): 1365.

[3]Luo Y, Zhang X, Wang X, Lu F. 2014. Biomasse und ihre Verteilung in chinesischen Waldökosystemen. Ökologie, 95(7): 2026.

[4]Sun HR, Xu ZZ, Jia BR. 2022. Ein zusammengestellter Datensatz zur Bodenatmung in verschiedenen Zeitskalen für Waldökosysteme in ganz China von 2000 bis 2018. Earth System Science Data, 14(7): 2951–2961.

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Jia Bingrui (Institut für Botanik, Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Hersteller: China Science Expo