Auf dem auftauenden Permafrostboden in der Arktis ändert sich die Zusammensetzung der dort wachsenden Pflanzengemeinschaften: Gräser können langsam wachsende Sträucher verdrängen. Zwar binden diese Gräser mehr Kohlendioxid als die vorherigen Pflanzengemeinschaften, im Jahresverlauf führen sie allerdings zu deutlich mehr Methanemissionen – das ist ein Treibhausgas, das den globalen Temperaturanstieg vielfach stärker als Kohlendioxid vorantreibt. Ein Forschungsteam der Universität Tübingen untersuchte dieses Beziehungssystem zwischen den Pflanzen und den feuchten bis nassen Böden. Ziel war es, den Einfluss der Pflanzen auf die Freisetzung von Treibhausgasen unter wechselnden jahreszeitlichen Bedingungen im auftauenden Permafrost-Torfmoor von Stordalen nahe Abisko in Schweden zu quantifizieren. Professorin Marie Muehe von der Universität Tübingen und dem Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung in Leipzig und Professor Andreas Kappler von der Universität Tübingen leiteten die Untersuchungen. Die Studie wurde in der Fachzeitschrift Global Change Biology veröffentlicht.

„Die typischen Torfhügel des Moors von Stordalen sind vergleichsweise trocken. Sie liegen auf dem Permafrost auf, so dass das Wasser über der unterliegenden Eisschicht abfließen kann. Beim Auftauen der Bodeneisschicht wird dieser Abfluss gestört. Aus den Torfhügeln werden feuchte Moore und schließlich nasse Marschen“, beschreibt Muehe die längerfristige Entwicklung. Wenn es nasser wird, gedeihen die an die Dauerfrostbedingungen angepassten langsam wachsenden Sträucher wie Rosmarinheide oder Zwerg-Birke nicht mehr. Es siedeln sich Torfmoose an, die schließlich beim weiteren Auftauen des Bodeneises und entstehender Staunässe von deutlich schneller und höher wachsenden Gräsern wie Wollgräsern und Seggen abgelöst werden.

Grüne Pflanzen binden bei der Fotosynthese das Treibhausgas Kohlendioxid und wandeln es in Stoffe um, die dem eigenen Wachstum dienen. „Einen Teil der Stoffe wie zum Beispiel Zucker und Aminosäuren geben die Pflanzen natürlicherweise über ihre Wurzeln in den Boden ab, um für ihr Wachstum günstige Mikroorganismen anzusiedeln“, erklärt Marie Mollenkopf, Doktorandin in Muehes und Kapplers Arbeitsgruppe und Erstautorin der Studie. Welche Mikroben sich im Wurzelbereich der Pflanzen vermehren, hänge von zahlreichen Bedingungen wie den verfügbaren Nährstoffen oder auch der Anwesenheit von Sauerstoff ab. „Dabei entstehen auch Nahrungsketten, bei denen die einen Mikroben direkt die ausgeschiedenen Stoffe der Pflanze nutzen, andere verwerten deren Ausscheidungsprodukte weiter. In unterschiedlichem Ausmaß werden schließlich auch die Treibhausgase Kohlendioxid und Methan freigesetzt“, sagt Mollenkopf.

Vom Torfhügel zu den Marschen

In der Studie erfasste das Forschungsteam den Stoffumsatz im Wurzelbereich der verschiedenen Pflanzengemeinschaften systematisch und quantitativ im Freiland des Stordalen-Moors. Über eine Wachstumssaison hinweg maßen die Forscherinnen und Forscher zu definierten Zeitpunkten die natürlichen Wurzelausscheidungen der Pflanzen und die entstehenden Treibhausgase. Zahlreiche Umgebungsbedingungen zur Bodenchemie gingen in die Messungen ein. Sie verglichen dabei die Daten aus den drei Auftauzuständen in den ursprünglichen Torfhügeln, im Moor und in den Marschen.

„Unsere Ergebnisse zeigen, dass hauptsächlich die Gräser in den aufgetauten Mooren und Marschen die saisonale Dynamik der Stoffumsätze und Treibhausgasemissionen antreiben. Mit dem weiteren Auftauen können sie mehr Kohlenstoff freisetzen und fördern zudem aktiv die Methanemission“, sagt Mollenkopf. Früh im Sommer und auch noch im Hochsommer, von Juni bis August, speicherten die Gräser über ihre Fotosyntheseaktivität zwar umfangreiche Mengen an Kohlendioxid, sehr viel mehr als Torfmoose oder Sträucher. „Doch mit dem Fortschreiten der Wachstumssaison nahmen die Methanemissionen bei den Gräsern zu, am höchsten waren die Werte in der Regel im Spätsommer. Insgesamt übertrafen sie die positiven Effekte der Kohlendioxidspeicherung bei Weitem. Zudem gaben sie im Herbst durch reduzierte Fotosyntheseaktivität und absterbendes Pflanzenmaterial auch CO₂ ab und erhöhten die Treibhausgasemissionen dann neunfach“, sagt Muehe. „Permafrostböden werden typischerweise beim Auftauen zur Kohlenstoffquelle, wobei Gräser diesen Kohlenstoffausstoß zum Ende der Wachstumsperiode zusätzlich erhöhen können.“

„Permafrostböden speichern fast die Hälfte des weltweit im Boden gebundenen Kohlenstoffs. Der Einfluss pflanzenbedingter Prozesse im Jahresverlauf kann dazu beitragen, dass sich auftauende Permafrostgebiete noch stärker und schneller als bisher angenommen von einer Kohlenstoffsenke zu einer Kohlenstoffquelle verwandeln. Globale Klimamodelle müssen den Permafrost selbst, aber besonders auch die pflanzliche Aktivität auf ihm berücksichtigen“, sagt Marie Mollenkopf.

„Die Ergebnisse aus Stordalen machen deutlich, dass wir den Klimawandel nur verstehen und wirksam begrenzen können, wenn wir die Prozesse in empfindlichen Ökosystemen wie den Permafrostgebieten genau kennen. Forschende der Universität Tübingen leisten hier einen wichtigen Beitrag, um die Rolle der Böden im globalen Kohlenstoffkreislauf besser abzuschätzen. Dieses Wissen ist eine wesentliche Grundlage für verantwortungsvolle Klima- und Umweltpolitik“, sagt Professorin Dr. Karla Pollman, Rektorin der Universität Tübingen.