CO2 - Effekt

In experimentellen Untersuchungen zeigte sich, dass erhöhte Konzentrationen von atmosphärischem CO₂ die Photosyntheserate in Pflanzen erhöht (Wand et al., 1999, Nowak et al., 2004). Dieser auch als “CO₂ Düngung” bezeichnete Effekt wurde in C₃ Pflanzen (z.B. Bäume, Pflanzen in gemäßigtem Klima) als auch in C₄ Pflanzen (z.B. tropische Gräser) nachgewiesen, wobei aber die Reaktionen unterschiedlich stark sind und C₄ Pflanzen tendenziell weniger stark auf CO₂ reagieren (Wand et al., 1999; Campbell et al., 2000). Der Effekt scheint seine Hauptwirksamkeit im Bereich zwischen 500 und 600 ppm zu haben (Allen et al., 1996). Es wird angenommen, dass eine CO₂-Erhöhung bis zu 700ppm die Pflanzenproduktivität unter gemäßigt feuchten Umweltbedingungen zwischen 10 und 15 % erhöhen kann und zwischen 20 und 40 % auf wasserarmen Standorten (Wand et al., 1999). Allerdings zeigen viele Studien, dass Veränderungen von Temperaturen und Niederschlag den direkten Effekt des CO₂ auf die Pflanze verändern bzw. begrenzen (IPCC, 2013).

Volk et al. (2000) zeigten, dass ein erhöhtes CO₂-Angebot die Blatttranspiration verringert, da die Pflanzen schneller ausreichend Kohlendioxid für die Photosynthese aufgenommen haben und ihre Spaltöffnungen schneller schließen (Jacobs und de Bruin, 1997; Sellers et al., 2010). Dies führt dazu, dass die Pflanze weniger Feuchtigkeit verliert und sich somit die Wassernutzungseffektivität der Pflanze erhöht (Rötter und van de Geijn, 1999). Unter trockenen Bedingungen, wie z.B. in Australien, ergäbe sich deshalb der Haupteffekt eines erhöhten CO₂-Angebots aus der erhöhten Wassernutzungseffizienz des Bodenwassers durch die Pflanze. Dadurch könnten Pflanzen Wassermangelstress durch weniger Niederschlag besser verkraften (Adam et al., 2000), wobei diese Fähigkeit in Abhängigkeit von Pflanzenart und Bodenausprägung variiert (Clark et al., 1999; van Ittersum et al., 2003).

In Bezug auf die Weideproduktivität unter erhöhten CO₂-Bedingungen schließen Stokes et al. (2003), dass die Interaktion zwischen Wassernutzung und CO₂-Gehalt der Luft die Auswirkungen von Niederschlagsschwankungen auf das Weideland abfedern kann. Studien zeigen aber, dass ab einer Grenze von ca. 300 bis 500 mm Niederschlag im Jahr, eine weitere Abnahme des Niederschlags die positiven Auswirkungen des CO₂-Effekts auf das Pflanzenwachstum aufhebt (Clark et al., 1999; van Ittersum et al., 2003; Nowak et al., 2004). Ebenso kann eine schlechte Nährstoffversorgung der Pflanzen die Reaktion auf ein erhöhtes CO₂-Angebot begrenzen (van Ittersum et al., 2003; Nowak et al., 2004).

Hinzu kommt, dass der CO₂-Effekt heute nur unter experimentellen Bedingungen untersucht werden kann. Der “Düngeeffekt” eines höheren CO₂-Gehaltes in der Luft ist aber unter natürlichen Bedingungen nur noch halb so groß wie unter Laborbedingungen (Long et al., 2006). Dieses würde jene Projektionen in Zweifel ziehen, die darauf hindeuten, dass eine höhere CO₂-Konzentration in der Luft die Ertragsausfälle durch höhere Temperaturen und Trockenheit bei C₃ Pflanzen ausgleichen könnte. Dazu kommen berechtigte Zweifel, ob die experimentell an heutigem Pflanzenmaterial gefundenen positiven Eigenschaften des CO₂ auf das Pflanzenwachstum und deren Trockenheitsverträglichkeit, so einfach auf die Pflanzen der Zukunft übertragen werden können. Heutige Pflanzen sind an das heutige CO₂-Niveau und die heutigen Umweltbedingungen adaptiert, was in der Reaktion auf einen erhöhten CO₂-Level zu einer spezifischen Reaktion führt. Diese Reaktion könnte allerdings eine andere sein, wenn Pflanzen sich über längere Zeit an einen erhöhten CO₂-Gehalt der Luft adaptieren können. Schon heute führt ein erhöhter CO₂-Gehalt neben den beschriebenen Auswirkungen bei manchen Pflanzen auch zu Veränderungen in der Blattstruktur in Richtung einer geringen Dichte der Spaltöffnungen. Durch diese Anpassungsreaktion an einen höheren CO₂-Gehalt der Luft wäre dessen positiver Effekt auf die Photosyntheseleistung wieder vermindert (Eitzinger et al., 2009).

Ein weiterer Negativeffekt eines erhöhten CO₂-Gehaltes in der Luft ergibt sich daraus, dass der N-Gehalt im Blatt sinkt und der Kohlenstoffgehalt steigt (verändertes C/N Verhältnis) und daraus resultierend der Proteingehalt im Futter sinkt (Campbell et al., 1996, Craine et al., 2010). Dadurch könnten Weidetiere eher unter Mangelernährungsstress geraten, wenn dieser Effekt nicht durch erhöhte Biomasseproduktion infolge erhöhter Wassernutzungseffektivität aufgehoben wird (Gregory et al., 1999).

Bei all diesen Betrachtungen blieb bisher unberücksichtigt, dass auch die Pflanzen ihrerseits mit ihren Reaktionen auf veränderte Umweltbedingungen (z.B. einen erhöhten CO₂-Gehalt in der Luft) Veränderungen des Klimas herbeiführen können. Weniger Blatttranspiration durch häufiger geschlossene Spaltöffnungen führt insgesamt zu weniger Wasserdampf in der Atmosphäre. Die verminderte Verdunstung von Pflanzen hat wiederum direkte Auswirkungen auf die turbulenten Austauschprozesse zwischen der bodennahen atmosphärischen Grenzschicht und der höhergelegenen Schicht der freien Atmosphäre und damit die Wolkenbildung (Vilà-Guerau de Arellano et al., 2012). Vilà-Guerau de Arellano et al. (2012) ermittelten modellhaft bei einer Verdopplung des atmosphärischen CO₂-Gehalts von heute 0,038 % auf 0,075 % und der Erhöhung der globalen Durchschnittstemperatur um zwei Grad Celsius, dass durch diese Rückkopplung der Vegetation mit physikalischen Klimaprozessen, die Wolkenbildung um 15 % reduziert sein wird.

Weiterhin gibt es auch Hinweise darauf, dass ein erhöhtes CO₂-Angebot nicht nur auf die Einzelpflanze einwirkt, sondern auch die Zusammensetzung von Pflanzengemeinschaften beeinflusst (Clark et al., 1997; Bond und Midgley, 2000; Edwards et al., 2001). Vozár et al. (2012) folgerten aus einem Langzeitversuch (1986 - 2009) zur Gräserzusammensetzung in mitteleuropäischer Mittelgebirgslage aus den signifikanten Veränderungen in der Gräser-Kräuter-Leguminosen-Zusammensetzung, dass die Artenzusammensetzung sich flexibel an die Umweltbedingungen anpassen kann. Allerdings konnte kein eindeutiger Zusammenhang zwischen der Niederschlagsmenge und der Entwicklung einzelner Teile der Pflanzengesellschaft gefunden werden.

Da die Folgen des Klimawandels zu weltweiten Umwälzungen führen, sind die genauen Auswirkungen von kombinierten Effekten, z.B. einem erhöhten CO₂-Gehalt in der Atmosphäre, Änderungen von Meeresoszillationen und zunehmender Landfläche, die von Desertifikation betroffen ist, in ihrer Komplexität nur schlecht vorauszusehen. Zwar sind Reaktionsmuster von Pflanzen auf verschiedene klimatische Veränderungen einzeln betrachtet recht gut untersucht, doch die tatsächliche Reaktion bei einer beliebigen Kombination von Einflüssen ist bis heute nicht sicher vorhersagbar (Eitzinger et al., 2009). Zudem können auch in Versuchen mit Kombinationseffekten, die ein Szenario veränderter Klimabedingungen simulieren sollen, andere potentielle, sich ebenfalls ändernde Schadfaktoren, wie Pflanzenkrankheiten, Schädlinge oder Extremwetterereignisse, nicht mitberücksichtigt werden. Harle et al. (2007) sehen neben den natürlichen Interaktionen auch noch den Einfluss des Marktes, der sich unter veränderten Klimabedingen auch unvorhersagbar entwickeln kann. Daraus schlussfolgern sie ebenfalls, dass weder die Richtung noch das Ausmaß der Veränderungen auf Weideland durch die Klimaveränderung vorausschaubar sind.