KLIMA-MEDIA.de Pressespiegel & Infoblog

Auftauen von Permafrost-Böden beschleunigt Klimawandel – trotz mehr Pflanzenwachstum

Montag 18. März 2013 von birdfish

Die globale Erwärmung hat zwei gegenteilige Effekte auf Permafrost-Böden wie die in Sibirien.

Permafrost-Böden in Tibet
Gefrorener Fluss und Permafrost-Böden in Tibet. – Foto: Claus Bünnagel / Pixelio

Das Auftauen der normalerweise dauerhaft gefrorenen Erdschichten verstärkt einerseits Zersetzungsprozesse im Boden, was zu höheren CO2-Emissionen führt. Anderseits nimmt wegen der höheren Temperaturen das Pflanzenwachstum zu, und das dabei aufgenommene CO2 wird letztlich im Boden gespeichert. Dieser – oft vernachlässigte – zweite Effekt kann den ersten aber auf Dauer nicht ausgleichen, wie eine jetzt veröffentlichte Studie von Wissenschaftlern des Potsdam-Instituts für Klimafolgenforschung zeigt. Unter dem Strich steigen die Treibhausgas-Emissionen.

„Unsere Studie ist die erste, die bei der Computersimulation von Veränderungen in Permafrost-Böden auch die Rückkopplung mit der Pflanzenwelt einbezieht“, sagt Leit-Autorin Sibyll Schaphoff. „Wenn das große Tauen beginnt, wird entgegen anderen Studien zunächst zusätzlich CO2 aus der Luft aufgenommen, wie unsere Projektionen zeigen.“ Grund ist das rasch zunehmende Pflanzenwachstum. Der Vegetation nützen steigende Temperaturen im hohen Norden, und auch die Zunahme von CO2 in der Atmosphäre stimuliert die Pflanzen, ähnlich einem Dünger.

Doch nach einer Zeitverzögerung von einigen Jahrzehnten entlässt der langsam auftauende Permafrost-Boden den in ihm über Jahrtausende gespeicherten Kohlenstoff in die Atmosphäre. Dies kann durch das Planzenwachstum nicht ausgeglichen werden – CO2 wird freigesetzt, und als Treibhausgas trägt es zum weiteren Klimawandel bei. „Die Pflanzen werden uns also nicht davor bewahren, in diesen Teufelskreis einzusteigen“, sagt Schaphoff. „Aber immerhin verringern sie wahrscheinlich etwas die durch das Tauen der Permafrost-Böden zusätzlich entstehenden Emissionen.“

„Ein weiteres wichtiges Ergebnis ist, dass die Wirkung des Klimawandels von heute CO2 aus Permafrost-Böden über Jahrhunderte hinweg freisetzen wird – es zeigt sich ein beunruhigender ‚langer Schatten’ der heutigen Erwärmung bis in die ferne Zukunft hinein“, sagt Wolfgang Lucht, einer der beiden Leiter des PIK-Forschungsbereichs Erdsystemanalyse, auch er ist einer der Autoren des Artikels. „Unsere Studie kann erstmals genauer identifizieren, wieviel zusätzlicher Kohlenstoff von den Permafrost-Böden der Welt freigesetzt würde, wenn die Welt sich in den kommenden hundert Jahren um vier bis fünf Grad erwärmt, weil im business as usual der Treibhausgas-Ausstoß nicht sinkt – statt dass die Erwärmung auf zwei Grad begrenzt wird, das von der internationalen Staatengemeinschaft festgelegte Ziel, welches starkes Handeln erfordert.”

Obwohl durch den Klimawandel in den arktischen Regionen die Pflanzen viel stärker wachsen, „würde uns starker Klimaschutz 550 Milliarden Tonnen CO2-Emissionen ersparen, die von den Permafrostböden freigesetzt werden können“, so Lucht. Das entspreche rund 15 Jahren der heutigen Emissionen der Menschheit.

Originalpublikation:
Schaphoff, S., Heyder, U., Ostberg, S., Gerten, D., Heinke, J., Lucht., W. (2013): Contribution of permafrost soils to the global carbon budget. In: Environmental Research Letters [doi:10.1088/1748-9326/8/1/014026]

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Wälder mit alten Bäumen und Totholz sind besser für das Klima und die Artenvielfalt

Mittwoch 6. März 2013 von birdfish

Alte und zerfallende Bäume im Wald spielen eine wichtige Rolle für Natur- und Klimaschutz.

Totholz und Fichtenverjüngung Totholz und Fichtenverjüngung im Harz. Foto: Fotos: Ausserhofer / DSZ

Das haben Wissenschaftler der Universität Göttingen anhand einer Studie im ‘Brockenurwald’ im Harz gezeigt. Die Forscher verglichen Waldstücke mit sehr alten und absterbenden Bäumen mit jüngeren Stadien, wie sie auch in bewirtschafteten Wäldern vorkommen. Waldstadien mit alten Bäumen und Totholz wiesen eine deutlich höhere Artenvielfalt auf – nicht so sehr am Waldboden, aber durch Moose und Flechten, die auf den lebenden und toten Baumstämmen wachsen. Darüber hinaus ist in Waldstücken mit altem Bestand sehr viel mehr Kohlenstoff in der Biomasse und im Boden eingelagert – ein wichtiger Beitrag zum Klimaschutz.

‘Je mehr Kohlenstoff aus der Atmosphäre in der Vegetation und im Boden gebunden wird, desto stärker wirkt der Wald der vom Menschen verursachten Erwärmung der Erdatmosphäre entgegen’, erläutert Dr. Mascha Jacob von der Abteilung Pflanzenökologie und Ökosystemforschung der Universität Göttingen. Während fast alle Wälder in Mitteleuropa spätestens seit dem Mittelalter von Menschen genutzt werden, konnte sich der ‘Brockenurwald’ im Harz lange Zeit ungestört entwickeln. ‘Aufgrund seiner schwer zugänglichen Lage entging der Wald unterhalb des Brockengipfels viele Jahrhunderte der Holznutzung’, so Dr. Jacob.

Nach Ansicht der Wissenschaftler belegen die Ergebnisse der Untersuchungen eindeutig, wie wichtig es ist, ökonomisch wertlose alternde Bäume zu erhalten. ‘Die Forstämter stecken in einem Dilemma’, so Prof. Dr. Markus Hauck, der die Untersuchungen im Harz zusammen mit Dr. Jacob durchführte. ‘Einerseits sollen sie wirtschaftlich arbeiten und die Versorgung mit dem Rohstoff Holz sichern. Andererseits wollen sie einen Beitrag zum Natur- und Klimaschutz leisten, der aber den wirtschaftlichen Ertrag reduziert. Daher ist es besonders wichtig, den Nutzen von alten und toten Bäumen ohne ökonomischen Wert wissenschaftlich zu untermauern.’ Die Studie wurde drei Jahre lang von der Stemmler-Stiftung im Stifterverband für die Deutsche Wissenschaft gefördert.

Originalpublikationen:
Mascha Jacob et al. 2013. Significance of over-mature and decaying trees for carbon stocks in a Central European natural spruce forest. Ecosystems 16:336-346. Doi: 10.1007/s10021-012-9617-0.

Sebastian Dittrich et al. 2012. Response of ground vegetation and epiphyte diversity to natural age dynamics in a Central European mountain spruce forest. Journal of Vegetation Science. Doi: 10.1111/j.1654-1103.2012.01490.x.

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Artenvielfalt macht’s: Honigbienen alleine reichen für eine gute Ernte nicht aus

Sonntag 3. März 2013 von birdfish

Etwa ein Drittel der weltweiten Nahrungsmittelproduktion wird von Bestäubung beeinflusst – und herrscht ein Mangel an Bestäubern, fallen die Ernten oft sehr gering aus.

Wildbiene auf ErdbeerblüteWildbiene auf Erdbeerblüte. Foto: Uni Göttingen

Eine weltweite Studie mit Beteiligung der Universität Göttingen hat nun gezeigt, dass Pflanzen besonders viele Früchte und Samen hervor bringen, wenn möglichst viele unterschiedliche Arten frei lebender Bestäuber vorhanden sind. Honigbienen können diese wilden Bestäuber nicht ersetzen, sondern lediglich unterstützen: Die Forscher konnten nachweisen, dass der Blütenbesuch der wilden Bestäuber, insbesondere der Wildbienen, doppelt so effektiv ist wie der der Honigbienen. Die Wissenschaftler untersuchten insgesamt 600 Felder mit 41 Nutzpflanzenarten aus 20 Ländern. Die Ergebnisse sind in der Fachzeitschrift Science erschienen.

Landwirtschaft hängt von vielen Leistungen der Natur ab, die keinen direkten Marktwert haben: von Zersetzungsprozessen im Boden, Wasserreinigung, natürlicher Schädlingskontrolle und der Bestäubung von Nutzpflanzen durch frei lebende Bestäuber. Dazu zählen Wildbienen, Fliegen, Käfer, Schmetterlinge, Vögel und Fledermäuse. Die an der Studie beteiligten Agrarwissenschaftler der Universität Göttingen untersuchten sowohl Kaffee- und Kürbisplantagen in Indonesien als auch Erdbeerfelder und Kirschbäume in Südniedersachsen.

„Die Ergebnisse machen deutlich, dass eine ertragreiche Landwirtschaft nicht ohne Artenvielfalt auskommt“, so Prof. Dr. Teja Tscharntke, Leiter der Abteilung Agrarökologie der Universität Göttingen. „Es wäre sehr riskant, sich bei der Bestäubung von Nutzpflanzen alleine auf die vom Menschen gemanagten Honigbienen zu verlassen, deren Anzahl durch Parasiten und Pestizide in jüngerer Zeit stark beeinträchtigt wurde. Konzepte zur Förderung weltweiter Nahrungsmittelsicherheit sollten auch den Schutz frei lebender Bestäuber, namentlich der Wildbienen, berücksichtigen.“

Originalpublikation:
Lucas A. Garibaldi et al. Wild pollinators enhance fruit set of crops regardless of honey-bee abundance. Science Express online (28 Feb 2012). Doi: 10.1126/science.1230200.

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Studie zeigt neue Wege auf für weniger Treibhausgase in der Landwirtschaft

Freitag 1. März 2013 von birdfish

Die Landwirtschaft verursacht rund 10 bis 12 Prozent aller vom Menschen produzierten Treibhausgase.

Konventionelle LandwirtschaftKonventionelle Landwirtschaft verursacht viele Treibhausgase. Foto: U. Benz / TUM

Wie lassen sich diese Emissionen verringern? Eine Studie hat erstmals in einer vollständigen Bilanz alle Faktoren untersucht, die zur Freisetzung von Klimagasen beitragen: die Boden- und Klimabedingungen sowie die Art und Intensität der Produktion – also ökologischer oder konventioneller Landbau. Als Ergebnis entstand ein neues Modell, mit dem Landwirtschaftsbetriebe ihre Klimabilanz ermitteln und verbessern können.

In der jetzt vorgestellten Studie untersuchten Wissenschaftler je 40 ökologische und 40 konventionelle Landwirtschaftsbetriebe in vier Agrarregionen Deutschlands. Diese Pilotbetriebe erzeugen pflanzliche Produkte und Milch. Die Wissenschaftler erfassten alle relevanten Klimagasflüsse – Methan, Lachgas und Kohlendioxid – für den gesamten Produktionsprozess. Für die Milcherzeugung rechneten sie auch den Zukauf von Sojaschrot aus Südamerika und alle damit verbundenen Treibhausgas-Emissionen ein.

Strategien für eine bessere Klimabilanz
CO2-Emissionen entstehen durch den Einsatz fossiler Energien – vor allem Dieselkraftstoff – in der Landwirtschaft. Treibhausgase fallen aber auch bei der Herstellung von Mineraldüngerstickstoff, Pflanzenschutzmitteln, landwirtschaftlichen Maschinen und Geräten an.

„Es gibt verschiedene Wege, um die Klimabilanz zu verbessern“, erklärt Prof. Kurt-Jürgen Hülsbergen von der Technischen Universität München (TUM). „Eine wirksame Strategie ist, Futter selbst anzubauen statt Soja zuzukaufen. Außerdem können Betriebe ihre Produktionsverfahren verbessern und moderne Technik einsetzen, um die Erträge bei gleichem Energieaufwand zu steigern.“

Im Pflanzenbau ist vor allem die Erhöhung der Stickstoffeffizienz bedeutsam. Besonders hohe Lachgasemissionen treten auf, wenn die Kulturpflanzen den Düngerstickstoff ungenügend verwerten. Da seine Herstellung viel Energie kostet, belastet nicht genutzter Stickstoff die Klimabilanz zusätzlich.

Das Treibhausgas CO2 verschwindet aus der Klimabilanz, wenn es durch Humusaufbau langfristig im Boden gebunden wird. „Dies lässt sich erreichen, wenn Betriebe vielfältige Fruchtfolgen mit Leguminosen anbauen“, erklärt Prof. Gerold Rahmann vom Thünen-Institut. „Auch eine weniger intensive Bodenbearbeitung und organische Düngung wirken sich günstig aus.“

Wer liegt vorn: bio oder konventionell?
Der Biolandbau zeichnet sich durch eine hohe Energieeffizienz und geringe flächenbezogene CO2-Emissionen aus. Allerdings sind auch die Erträge im ökologischen Landbau deutlich geringer, daher relativiert sich dieser Vorteil. Die ertragsbezogen Emissionen im Ackerbau betragen etwa 80 Prozent der Emissionen der konventionellen Pilotbetriebe.

Öko-Milchviehbetriebe nutzen mehr selbst angebautes Weidefutter und kaufen kein Sojaschrot zu. Dies zahlt sich aus, wie Hülsbergen erläutert: „Bei gleicher Milchleistung liegen die CO2-Emissionen in den ökologischen Pilotbetrieben im Mittel um 200 Gramm je Kilogramm Milch niedriger als in den konventionellen Betrieben.“

Die Untersuchungen zeigen, dass vor allem zwischen den einzelnen Ökobetrieben Erträge und Treibhausgas-Emissionen stark schwanken, teilweise mehr als zwischen den Anbauformen ökologisch oder konventionell. Demzufolge ist auch das individuelle Können der Betriebsleiter ein wichtiger Faktor bei der Treibhausgasbilanz der Höfe: Es gibt ein erhebliches innerbetriebliches Optimierungspotenzial.

Schneller Transfer in die Praxis
Die Untersuchung liefert erstmals eine vollständige Übersicht von klimarelevanten Faktoren, die alle Emissionen in Tierhaltung und Anbau berücksichtigt. „Wir haben jetzt ein praxistaugliches Modell, um Ursachen geringer Energieeffizienz oder hoher Treibhausgas-Emissionen aufzuklären“, so Hülsbergen. „Wir arbeiten daran, unser Modell so zu optimieren, das es unmittelbar in der Klimaschutzberatung von Betrieben eingesetzt werden kann.“

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Bundesamt für Naturschutz: Biotopverbund für Anpassung an Klimawandel notwendig

Sonntag 24. Februar 2013 von birdfish

Die Ergebnisse eines BfN-Forschungsvorhabens zeigen deutlich, dass ein länderübergreifender Verbund von Lebensräumen für viele vom Klimawandel betroffene Arten eine große Bedeutung hat.

Das Ökosystem als Ganzes
Das Ökosystem muss als Ganzes gesehen werden – Foto: Dagmar Struß

Es gilt mittlerweile als sicher, dass in den nächsten Jahrzehnten mit weiteren, erheblichen Klimaveränderungen gerechnet werden muss. Daher wurde in einem Forschungsvorhaben untersucht, welche Bedeutung in der Anpassungsstrategie die Vernetzung von Lebensräumen hat, um die zu erwartenden negativen Auswirkungen des Klimawandels zu mindern.

Nach Ansicht des Bundesamtes für Naturschutz (BfN) ist es zur Anpassung an den Klimawandel dringend erforderlich, den im Bundesnaturschutzgesetz (§ 20, 21) geforderten länderübergreifenden Biotopverbund in der Fläche voranzutreiben. In vielen Bereichen ist die Umsetzung gegenwärtig jedoch noch mangelhaft. Die bestehenden Lücken im Netzwerk der Lebensräume müssen geschlossen und insbesondere die internationalen Anknüpfungspunkte in ihrer Funktionalität gesichert und verbessert werden. Dabei sollte auf die Erhaltung und Entwicklung bestimmter Biotopverbundachsen, die entweder durch den Klimawandel in ihrem Bestand gefährdet sind oder für die räumliche Anpassung vieler Arten von großer Bedeutung sind, ein besonderer Fokus gelegt werden. Die Ergebnisse des Forschungs- und Entwicklungsvorhabens geben Anhaltspunkte dafür, welche Achsen und Regionen hiervon besonders betroffen sind.

Die Forschungsergebnisse weisen darauf hin, dass auch viele bisher nicht gefährdete Arten in der Zukunft durch den Klimawandel bedroht sein werden. Aufgrund der erwarteten Verschiebung der für die Arten geeigneten klimatischen Bedingungen, wird es für eine Vielzahl von Arten entscheidend sein, dass sie zukünftig geeignete Lebensräume erreichen können. Aufgrund seiner zentralen Lage in Europa trägt Deutschland eine besondere Verantwortung dafür, den vom Klimawandel betroffenen Arten eine Anpassung ihres Verbreitungsareals durch die Umsetzung eines effektiven Biotopverbunds zu ermöglichen.

Originalpublikation:
Reich, M., Rüter, S., Prasse, R., Matthies, S., Wix, N. & Ullrich, K. (2012): Biotopverbund als Anpassungsstrategie für den Klimawandel? Naturschutz und Biologische Vielfalt 122: 228 S., ISBN 978-3-7843-4022-7

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Die Blaualgen in der Ostsee könnten sich als Folge des Klimawandels verdoppeln

Mittwoch 20. Februar 2013 von birdfish

Die Zahl der Cyanobakterien, auch Blaualgen genannt, könnte sich in der Ostsee im Zuge des Klimawandels womöglich verdoppeln.

BlaualgenblüteBlaualgenblüte. Foto: Christian Fischer / Wikipedia

Das haben Wissenschaftler der Universität Hamburg, KlimaCampus, berechnet. „Unsere Ergebnisse zeigen bei zunehmenden Wassertemperaturen nicht nur eine verlängerte jährliche Wachstumsphase, sondern auch mehr als zweimal so viel Algenbiomasse bis zum Ende des Jahrhunderts“, berichtet Prof. Inga Hense.
Mögliche Folgen: plötzliche Algenblüten, unangenehm für den Tourismus und zum Teil gesundheitsschädlich. Darüber hinaus könnten auch andere Arten boomen und das Ökosystem in Schieflage bringen, weil die Blaualgen das umgebende Meerwasser mit wachstumsförderndem Stickstoff anreichern.

Nach den Berechnungen der Klimaforscher vermehren sich die Einzeller wie erwartet aufgrund der steigenden Wassertemperaturen. Dazu kommt noch ihr besonderer Lebenszyklus: Cyanobakterien wachsen nur in sehr warmem Wasser, überdauern ansonsten in einer Art Ruhestadium am Boden der meist flachen Gewässer. „Das ist wie bei Aussaat und Ernte – je mehr schlummernde Zellen den Winter überleben, desto rascher wächst die Population im Frühjahr“, erläutert Hense. Gleichzeitig treibt die hohe Zelldichte nahe der Wasseroberfläche die Temperatur weiter in die Höhe. Eine positive Rückkopplung, die für noch mehr Wachstum sorge, berichtet Hense in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift „Climatic Change“.

Bisher hatte man den Wachstumsschub durch den Klimawandel deutlich niedriger eingeschätzt: „Für Prognosen biologischer Systeme müssen auch nichtlineare Effekte berücksichtigt werden. Das macht die Berechnungen aufwändiger“, so Hense. Die Biologin und ihr Team hatten zusammen mit Kollegen vom Swedish Meteorological and Hydrological Institute deshalb ein physikalisches Klimamodell mit einem biologischen Modell gekoppelt und dabei erstmals den kompletten Lebenszyklus der Cyanobakterien abgebildet.

Entscheidend ist offenbar auch die Abfolge von kalten und warmen Wintern: „Halten wir alle Eckdaten im Modellexperiment konstant, ergeben sich dennoch unterschiedliche Zuwachsraten – je nachdem, wie sich die Kälteperioden aneinanderreihen und die Produktivität der Einzeller begünstigen oder benachteiligen“, berichtet Hense. Ein weiteres Indiz, dass die Biologie der Cyanobakterien mit Blick auf den Klimawandel eine besondere Rolle spielt.

Verglichen hatten die Wissenschaftler die Zunahme einer gegebenen Blaualgenpopulation über einen Zeitraum von jeweils 30 Jahren – unter den Bedingungen von 1969 bis 1998, und als Gegenstück hierzu unter den Rahmenbedingungen, die uns voraussichtlich von 2069 bis zum Jahr 2098 mit zunehmender globaler Erderwärmung erwarten. „Schon heute lässt sich ein Anstieg der Cyanobakterien beobachten. Unsere Untersuchungen geben außerdem erste Hinweise, dass wir künftig mit großen Veränderungen rechnen müssen“, berichtet Hense.

So kommen die meist ungeliebten Einzeller nicht nur in der Ostsee vor, sondern auch in den Tropen und Subtropen, in flachen Gewässern und Süßwasserseen. Dort kurbeln sie das Wachstum weiterer Arten an: „Cyanobakterien fixieren im Wasser gelösten Luftstickstoff, der für andere Organismen normalerweise nicht verfügbar ist. Als dominante Primärproduzenten können sie so das Nährstoffbudget ganzer Lebensräume tiefgreifend ändern.“ Im nächsten Schritt wollen die Wissenschaftler deshalb auch horizontale Meeresströmungen, mit denen die Algen verdriften, in ihre Berechnungen einbeziehen.

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AWI hat überraschend schnelle Veränderungen des arktischen Ökosystems festgestellt

Sonntag 17. Februar 2013 von birdfish

Riesige Mengen von Algen wachsen an der Unterseite des Meereises in der Zentralarktis: Die Eisalge Melosira arctica war im Jahr 2012 für fast die Hälfte der Primärproduktion in diesem Gebiet verantwortlich.

Arktis-AlgeArktis-Alge, wo sie normalerweise nicht wächst – Foto: Mar Fernandez-Mendez / AWI

Wenn das Eis abschmilzt wie während des Eisminimums 2012 sinken diese Algen innerhalb kurzer Zeit bis auf den Meeresgrund in mehreren Tausend Metern Tiefe. Tierische Tiefseebewohner wie Seegurken und Haarsterne fressen die Algen. Bakterien setzen um, was übrig bleibt und zehren dabei den Sauerstoff im Meeresboden auf.
Diese kurzfristige Reaktion des Tiefseeökosystems auf Änderungen an der Wasseroberfläche hat ein multidisziplinäres Forscherteam um Prof. Dr. Antje Boetius vom Alfred-Wegener-Institut (AWI), Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung, jetzt in der Fachzeitschrift Science veröffentlicht.

Mehr als zwei Monate lang waren Wissenschaftler und Techniker aus zwölf Nationen im Spätsommer 2012 mit dem Forschungsschiff Polarstern in der Zentralarktis unterwegs. Im hohen Norden setzten sie eine Vielzahl modernster Forschungsgeräte und -methoden ein. Die übergeordnete Frage: Wie verändert sich die Arktis durch die globale Erwärmung und wie reagiert das Ökosystem mit seinen Bewohnern darauf? „Viel schneller als bisher vermutet!“ ist eine erste Antwort von Prof. Dr. Antje Boetius, die die Helmholtz-Max-Planck-Brückengruppe für Tiefsee-Ökologie und -Technologie leitet. „Der Meeresgrund in mehr als 4000 Metern Tiefe war übersät von Algenklumpen, die Seegurken und Haarsterne angelockt haben“, so die Mikrobiologin.

Die Algenklumpen mit einem Durchmesser von einem bis 50 Zentimetern bedeckten bis zu zehn Prozent des Meeresbodens. Aufspüren konnten die Forscher sie mit einem Ozeanboden-Beobachtungssystem namens OFOS (Ocean Floor Observation System). Dr. Frank Wenzhöfer aus der Helmholtz-Max-Planck-Brückengruppe konnte erstmals mit Mikrosensoren in der eisbedeckten Arktis die Sauerstoffkonzentration direkt am Tiefseeboden messen, dort, wo die Algen lagen. Auch unter dem Algenbelag tobte das Leben: Bakterien hatten angefangen, die Algen zu zersetzen. Deutlich wurde dies durch einen stark verringerten Sauerstoffgehalt im Sediment unter den Algen. Der Meeresgrund in benachbarten algenfreien Bereichen war dagegen bis zu einer Tiefe von 80 Zentimetern durchlüftet und enthielt kaum pflanzliche Überreste. Dort, wo die Algen abgebaut wurden, schrumpfte die belüftete Zone aber in kurzer Zeit auf wenige Millimeter.

Doch woher stammen die großen Mengen Algen in der Tiefsee? Pflanzen können dort nicht wachsen, weil es kein Licht gibt. Fündig wurden die Forscher an der Unterseite der schmelzenden Eisschollen: Überall unter dem Meereis fanden sie Reste des Eisalgen-Aufwuchses. „Man weiß seit langem, dass Kieselalgen der Art Melosira arctica unter dem Eis lange Ketten bilden können. Allerdings war dies in solchem Umfang bisher nur für Küstenregionen und altes, dickes Meereis beschrieben“, so Boetius. Bereits in der Expeditionsplanung vor drei Jahren hatten die Forscher die Hypothese aufgestellt, dass diese Eisalgen unter den heutigen Bedingungen auch unter dem Eis der Zentralarktis schneller wachsen könnten. Und die jetzt im Fachmagazin Science veröffentlichten Beobachtungen stützen ihre Hypothese: Die Eisalgen waren mit 45 Prozent sogar für fast die Hälfte der Primärproduktion im Zentralarktischen Becken verantwortlich. Der Rest der Primärproduktion geht auf andere Kieselalgen (Diatomeen) und Kleinstalgen (Nanoplankton) zurück, die in den oberen Schichten der Wassersäule leben.

Absterbendes Phytoplankton sinkt nur sehr langsam durch die Wassersäule und wird dort zum Großteil gefressen. Die langen, von Melosira arctica gebildeten Algenketten verklumpen hingegen und sinken schnell zum Meeresboden. So exportierten sie im Untersuchungsjahr 2012 mehr als 85 Prozent des durch Primärproduktion gebundenen Kohlenstoffs von der Wasseroberfläche in die Tiefsee. Die Forscher vermuten, dass die Algen tatsächlich im selben Jahr gewachsen waren, denn sie fanden nur noch einjähriges Eis in der zentralen Arktis vor, und die Algen aus den Mägen der Seegurken konnten im Labor noch Photosynthese betreiben. Auch der gute Ernährungszustand der Seegurken belegte die hohe Nahrungsverfügbarkeit: Die russische Zoologin Dr. Antonina Rogacheva vom P.P. Shirshov Institute of Oceanology fand die Tiere größer als bisher bekannt und mit weit entwickelten Fortpflanzungsorganen – ein Hinweis darauf, dass sie seit etwa zwei Monaten reichlich gefressen hatten.

Warum Eisalgen bei den aktuellen Bedingungen so schnell unter dem arktischen Meereis gedeihen können, aber dann durch die Eisschmelze ihren Lebensraum verlieren, können die Meereisphysiker vom Alfred-Wegener-Institut erklären. Sie bestimmten die Eisdicke mit einer vom Hubschrauber geschleppten elektromagnetischen Sonde und Eisbohrungen. Zusätzlich setzten sie einen Unterwasserroboter (ROV) ein, um das Eis von unten zu betrachten und zu messen, wie viel Licht hindurch dringt. Hierzu erklärt AWI-Meereisphysiker Dr. Marcel Nicolaus: „Auch zum Ende des Sommers haben wir die Algen noch direkt unter dem Meereis gefunden und dank unserer ROV Messungen konnten wir auch deren Menge abschätzen. Vermehrt auftretende Schmelztümpel lassen mehr Licht durch das Eis dringen und erlauben so ein schnelleres Algenwachstum.“ Durch das dünnere und wärmere Meereis schmelzen die Eisalgen dann aber auch schneller aus dem Eis aus und sinken ab.

„Wir konnten erstmals zeigen, dass die Erwärmung und die damit verbundenen physikalischen Veränderungen in der Arktis schnelle Reaktionen im gesamten Ökosystem bis in die Tiefsee hervorrufen“, resümiert Erstautorin Boetius. Die Tiefsee galt bisher als träges System, das erst mit erheblicher zeitlicher Verzögerung von der globalen Erwärmung betroffen sei. Dass mikrobielle Abbauprozesse am abgesunkenen Material aber auch in der Tiefsee innerhalb eines Jahres anoxische Flecken entstehen lassen, alarmiert die Forscherin: „Wir wissen noch nicht, ob wir ein einmaliges Phänomen beobachtet haben, oder sich das in den nächsten Jahren wiederholen wird.“ Aktuelle Vorhersagen gehen davon aus, dass ein eisfreier Sommer in der Arktis innerhalb der nächsten Jahrzehnte erreicht werden könnte. Boetius und Ihr Team warnen: „Wir verstehen die Funktion des arktischen Ökosystems mit seiner Biodiversität und Produktivität immer noch zu wenig, um abschätzen zu können, wie weitreichend die Veränderungen durch den schnellen Eisrückgang sind.“

Originalpublikation:
Antje Boetius, Sebastian Albrecht, Karel Bakker, Christina Bienhold, Janine Felden, Mar Fernández-Méndez, Stefan Hendricks, Christian Katlein, Catherine Lalande, Thomas Krumpen, Marcel Nicolaus, Ilka Peeken, Ben Rabe, Antonina Rogacheva, Elena Rybakova, Raquel Somavilla, Frank Wenzhöfer, and the RV Polarstern ARK-XXVII/3-Shipboard Science Party: Export of algal biomass from the melting Arctic sea ice. Science Express, 14. Februar 2013. DOI: 10.1126/science.1231346

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Klimawandel: kalkbildende Einzeller sind Profiteure der steigenden Temperaturen

Mittwoch 13. Februar 2013 von birdfish

Das Klima wird wärmer und der Meeresspiegel steigt – eine Bedrohung für Inselstaaten.

SternchensandeSternchensande: Foraminiferensande vom Großen Barrier-Riff – Foto: Martin Langer / Uni Bonn

Wie Forscher unter Federführung der Universität Bonn herausgefunden haben, breiten sich gleichzeitig winzige einzellige Organismen in den Weltmeeren rasant aus, die die Folgen des Klimawandels mildern können: Mit ihren Kalkschalen stabilisieren die zu den Foraminiferen gehörenden Amphisteginen Küsten und Riffe. Die Ergebnisse sind in der internationalen Online-Fachzeitschrift „PLOS ONE“ erschienen.

Manche sehen aus wie kleine Sternchen, andere ähneln löchrigem Käse, wieder andere erinnern an winzige Muscheln: Die zu den Foraminiferen zählenden Amphisteginen sind extrem häufig und außerordentlich formenreich. Die meisten der rund 10.000 Foraminiferenarten leben auf dem Meeresboden in den Tropen und Subtropen, sind von einer Kalkschale umgeben und werden nicht einmal so groß wie ein Sandkorn. Trotzdem sind die Winzlinge zu enormen Leistungen fähig: „Foraminiferen sind Ökosystem-Ingenieure“, sagt Prof. Dr. Martin Langer vom Steinmann-Institut für Geologie, Mineralogie und Paläontologie der Universität Bonn. „Die Einzeller produzieren pro Jahr mit ihren Schalen bis zu zwei Kilogramm Kalk pro Quadratmeter Meeresboden und sind, nach den Korallen, die wichtigsten Sedimentproduzenten in tropischen Riffregionen.“

Rund 9.000 Kilometer entlang der Küste

Die Wissenschaftler der Universität Bonn untersuchten mit ihren Kollegen des Zoologischen Forschungsmuseums Alexander Koenig, der Universität Trier und der Woods Hole Oceanographic Institution (USA) die Verbreitung der winzigen Einzeller. Prof. Langer erfasste in den letzten Jahren die Verbreitung der Amphisteginen entlang der rund 9.000 Kilometer langen Küstenlinie vor Somalia, Kenia, Tansania, Mosambik, Südafrika, Namibia und Angola. „Das Vorkommen der Amphisteginen hängt entscheidend von der Temperatur sowie dem Salz- und Nährstoffgehalt der Ozeane ab“, sagt der Mikropaläontologe. So brauchen die Einzeller Wassertemperaturen von mindestens 14 Grad Celsius.

Bis 2100 breiten sich die Einzeller fast 300 Kilometer polwärts aus

Mit den Daten aus den Geländeuntersuchungen entwickelten die Forscher ein Artverbreitungsmodell, das berechnet, wo die Amphisteginen unter bestimmten Umweltbedingungen vorkommen. Mithilfe von Klimamodellen prognostizierten die Wissenschaftler anschließend die künftige Verbreitung der kalkschaligen Einzeller. „Die Amphisteginen zählen zu den Profiteuren der steigenden Temperaturen durch den Klimawandel“, fasst Prof. Langer zusammen. Bis zum Jahr 2050 breiten sich die Kalk-Einzeller durch die erwärmten Ozeane nach den Modellen um 180 Kilometer polwärts aus – das entspricht etwa 1,6 Breitengrade. Bis zum Jahr 2100 erhöht sich die durchschnittliche Temperatur in den Ozeanen vorsichtig geschätzt um rund 2,5 Grad Celsius. Dementsprechend dringen die Amphisteginen fast 300 Kilometer – rund 2,5 Breitengrade – weiter in Richtung der Pole vor.

Versauerung der Meere: „Survival of the Fittest“

„Unsere Modelle prognostizieren Ausbreitungsgeschwindigkeiten von bis zu acht Kilometer pro Jahr“, sagt die Doktorandin Anna Weinmann vom Steinmann-Institut der Universität Bonn. Korallen können ähnlich rasant in neue Bereiche vordringen. Allerdings macht ihnen die mit dem höheren Kohlendioxidgehalt der Atmosphäre einhergehende Ozeanversauerung zu schaffen. Das Skelett der Korallen besteht aus Aragonit und ist damit viel säureempfindlicher als die Kalzitschale der Foraminiferen. „Amphisteginen und andere Foraminiferen übernehmen zunehmend die Kalkproduktion der Korallen und besetzen deren ökologische Nische. Ein Rollentausch vollzieht sich“, berichtet Prof. Langer.

Kalkproduzenten stabilisieren die Küsten und Riffe

Auf diese Weise werden in Zukunft Massenvorkommen von Foraminiferen den tropischen Meeresgrund prägen. Dafür gibt es auch zahlreiche Belege aus der Vergangenheit, zumal die Kalk-Einzeller die Ozeane bereits seit rund 600 Millionen Jahren besiedeln. „Der Fossilbericht zeigt: Immer wenn in der Erdgeschichte der Kohlendioxidgehalt der Atmosphäre erheblich höher und die Ozeane deutlich wärmer waren, sind Foraminiferen die häufigsten Kalkproduzenten in den Riffen gewesen“, sagt der Mikropaläontologe. Die winzigen Kalk-Einzeller können damit absehbar auch einen Teil der Schäden durch den Klimawandel wieder wettmachen. Bereits heute klagen Inselstaaten über den ansteigenden Meeresspiegel und zunehmende Schäden an ihren Küsten. Prof. Langer: „Amphisteginen und andere Foraminiferen werden sich in den nächsten Jahrzehnten rasch ausbreiten und die Küsten und Riffe durch ihre hohe Kalkproduktion stabilisieren.“

Originalpublikation:

Climate-Driven Range Extension of Amphistegina (Protista, Foraminiferida): Models of Current and Predicted Future Ranges, PLOS ONE, DOI: 10.1371/journal.pone.0054443

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