Auswirkungen des erwarteten globalen Temperaturanstiegs der ...

Auswirkungen des erwarteten globalen Temperaturanstiegs der
Atmosphäre auf die Temperaturverteilung im Boden und mögliche
Konsequenzen für chemische und biologische Bodenprozesse
Uta Beyersdorf
TU Bergakademie Freiberg
Adresse: Lange Sraße 27, 09599 Freiberg
e-mail: uta.beyersdorf@gmx.de
Abstract. In den folgenden Betrachtungen wird versucht verschiedene Aspekte der
möglichen Auswirkungen des globalen Temperaturanstiegs der Atmosphäre auf den Boden
und die in ihm ablaufenden Prozesse zu erläutern. Aufgrund des aktuellen Bezugs wird als
erstes exemplarisch auf die Permafrostböden und deren zunehmende Degradation
eingegangen werden. Da Permafrostböden etwa ein Viertel der Landoberfläche bedecken,
einen großen Anteil des globalen Bodenkohlenstoffs speichern und sich auf physikalische,
chemische sowie biologische Bodenprozesse auswirken, kommt diesen Böden eine zentrale
Bedeutung bei der Entwicklung von Klimaänderungen zu.
Anhand von verschiedenen aufgeführten Experimenten soll die Temperaturverteilung sowie
chemische und biologische Reaktionen des Bodens auf die globale Erwärmung dargelegt
werden.
1. Einführung
Innerhalb der letzten 100 Jahre erwärmte sich die Erde um etwa 0,6 °C. Dabei gab es
zwischen 1910 und 1945 sowie ab 1976 zwei Hauptperioden der Erwärmung. Die
Erwärmung in der letzten Periode war nahezu doppelt so hoch wie die der ersten und größer
als zu irgendeiner anderen Zeit innerhalb der letzten 1000 Jahre [10]
Die auf die globale Erwärmung zurückgeführte Temperaturzunahme weist dabei regionale
Unterschiede auf (Abb.1). Beispielsweise konnte in den mittleren und hohen Breitengraden
der nördlichen Hemisphäre eine besonders starke Erwärmung verzeichnet werden. Weil die
Minimaltemperaturen zweimal so schnell ansteigen wie die Maximaltemperaturen, nehmen
die täglichen Temperaturschwankungen ab. Demnach verlängern sich die frostfreien
1

Perioden in den meisten mittleren und hohen Breitengraden [10]. Gerade diese Bereiche
sind von steigenden Bodentemperaturen und damit verbundenen Tauvorgängen des
Permafrostes betroffen.
Der globale Temperaturanstieg wirkt sich auch auf die mikrobielle Aktivität, das
Wurzelwachstum sowie den globalen Kohlenstoffkreislauf aus. Eine ansteigende Intensität
der Bodenatmung zieht eine vermehrte Abgabe von CO2 nach sich, was die Konzentration
dieses Treibhausgases in der Atmosphäre erhöht.
Abbildung 1: Räumliche Verteilung der jährlichen Temperaturtrends (°C pro Jahrzehnt) seit
1976 bezüglich der normalen Werte von 1961 bis 1990 [10]
2. Beeinflussung der Temperaturverteilung im Boden am Beispiel der
Permafrostböden
2.1 BEDEUTUNG DES PERMAFROSTES
Als Permafrostböden bezeichnet man Material unterhalb der Bodenoberfläche, das
kontinuierlich für mehr als zwei darauf folgende Jahre gefroren bleibt [5].
Permafrostböden nehmen etwa ein Viertel der Landoberfläche ein [5] und speichern etwa 25
% des globalen Bodenkohlenstoffs (180*10 15 g) sowie 12 % des weltweiten Kohlenstoffs in
der saisonal auftauenden aktiven Schicht. Dieses CO2 hat das Potential zu einer Hauptquelle
des atmosphärischen CO2 anzuwachsen. Permafrostböden besitzen daher eine zentrale
Bedeutung bei der Entwicklung von Klimaänderungen. Die Variationen in der Ausdehnung
der Permafrostgebiete stellen einen Spiegel des globalen Klimawandels dar [1]. In diesem
Zusammenhang ist gefrorener Boden von der Internationalen Union der Geologischen
2

Wissenschaften als „Geoindikator“ beschrieben worden, da er ein bedeutendes Phänomen
für die Beurteilung der Umweltveränderungen über einen relativ kurzen Zeitraum darstellt [5].
Die in der andauernd gefrorenen Bodenzone ablaufenden Tauvorgänge beeinflussen die
Bedingungen in der Biosphäre und die der Pedosphäre. Die Verteilung und die Dynamik des
Permafrostes wirken sich auf physikalische, chemische und biologische Bodenprozesse
nachhaltig aus. Folglich sind Reaktion der Böden unter Permafrostbedingungen auf
Klimaänderungen von besonderem Interesse [1].
2.2 VERBREITUNG VON PERMAFROSTBÖDEN
Permafrostböden erstrecken sich in den mittleren und hohen Breitengraden der nördlichen
Hemisphäre. Sie können aber auch in Hochgebirgen niedrigerer Breitengrade auftreten.
Anhaltend gefrorene Böden erreichen teilweise mehrere hundert Meter Mächtigkeit. Ihre
Verteilung und Struktur ist ein Produkt der vergangenen und gegenwärtigen Klima- und
Gebietseigenschaften [1]. Gemäß der Internationalen Permafrost Assoziation (IPA) teilt man
die um die Arktis gelegenen Permafrostböden in kontinuierlich (90-100% Vereisung),
diskontinuierlich (50-90% Vereisung) sowie gelegentlich (

2.3 TEMPERATURVERTEILUNG
Der kontinuierliche Prozess der Erwärmung resultiert in einem Auftauen der
Permafrostböden und einer ansteigenden Mächtigkeit der aktiven Schicht. Die Tiefe der
saisonal auftauenden aktiven Schicht zeigt das dynamische Gleichgewicht, das sich
zwischen hydrologischen und thermischen Eigenschaften des Bodens und der Atmosphäre
eingestellt hat.
Als Nebeneffekte bezüglich der globalen Erwärmung treten Veränderungen des Albedo, der
Niederschlagsverteilung und Wolkenbildung auf [1]. Wenn die derzeitige Erwärmung anhält,
wird sich weiterer Permafrostboden erwärmen und auftauen. Im letzten Vierteljahrhundert
stieg die Besorgnis über derartige Tauvorgänge an [6].
Die gegenüber der Aufheizung empfindlichsten Gebiete sind Regionen, in denen geringe
klimatische Variationen zu Veränderung der Ausdehnung der Pernafrostes führen. Die
Bodenbedingungen werden instabil und ein Rückzug oder Vorrücken von Randbereichen
des Permafrostes sind die weit reichenden Folgen [1].
Bei eisreichen Permafrostböden können sich durch Tauvorgänge sogenannte
Thermokarsterscheinungen ausbilden [6]. Aufgrund der Volumenreduktion bei der
Umwandlung von Eis in Wasser entstehen beim Schmelzen von eisreichen Sedimenten
Setzungen der Bodenoberfläche [5]. Diese ziehen einen veränderten Massen- und
Energiefluss nahe der Oberfläche nach sich. Außerdem wird der Menschen und andere
Lebewesen beeinflusst sowie Ökosysteme und die Infrastruktur geschädigt oder zerstört [6].
Thermakarsterscheinungen sind dort verbreitet, wo fließendes Wasser zu thermalen Erosion
führt oder in geraden Vertiefungen [5].
Der Energieaustausch im Boden stellt den entscheidenden Faktor für die Ausdehnung und
Mächtigkeit des Permafrostes, die Entwicklung von Frostmusterböden sowie anderen
periglzialer Erscheinungen dar. Entlang des Nordhangs von Alaska wurde ein
Temperaturanstieg von 2-4 °C im letzten Jahrhundert festgestellt. Die Änderungen des
Temperaturhaushaltes der aktiven Schicht wurden in Alaska über sechs Jahre (1987-1992)
untersucht. Die Ergebnisse zeigen einen engen Zusammenhang zwischen der Mächtigkeit
der aktiven Schicht und den Lufttemperaturen im Sommer. Allerdings können diese lokalen
Daten im Gegensatz zu den deutlich selteneren großräumigen Daten lediglich kurzzeitige
Effekte und mikroklimatische Bedingungen aufzeigen [1].
Permafrost wird als Wärmesenke angesehen und reagiert als Puffer für die Wärmekapazität
des Bodens. Mit ansteigenden Temperaturen verliert dieser Puffer allmählich an Bedeutung.
Die gegenwärtig südliche Grenze des Permafrostes wird sich unwiederbringlich um hunderte
von Kilometern nach Norden verlagern [5].
4

Im Zusammenhang mit der Degradation des Permafrostes stehen weitere Faktoren wie
beispielsweise die Vegetation oder die Schneebedeckung. Die Vegetation schirmt den
Boden vor solarer Strahlung ab. Ein vegetationsloser Boden oder Felsen zeigt ein anderes
Reflexionsvermögen als ein stark bewachsener, was sich in einer Änderung der Evaporation
und Wärmeleitfähigkeit äußert. In Abhängigkeit der Bodenbedeckung weisen verschiedene
Böden Unterschiede bezüglich der vertikalen Temperaturprofile und Feuchtigkeit auf. Das
Entfernen des Bewuchses durch oberflächliche Beschädigungen des Bodens haben die
Degradation des darunter befindlichen Permafrostes sowie eine Verlagerung der
Permafrostdecke in die Tiefe zur Folge. Die Schneebedeckung sorgt für die Stabilität des
Permafrostes und steht in direktem Zusammenhang mit der Vegetationsbedeckung und der
Bodenentwicklung [1]. Weil Schnee einen effektiven Wärmeisolator darstellt, ist die
Bodentemperatur mit Schneebedeckung höher als ohne [9].
In den folgenden Ausführungen werden die Temperaturverteilung und deren Beeinflussung
durch die globale Erwärmung anhand eines in Alaska von 1977 bis 2002 durchgeführten
Projektes erläutert.
Im Jahr 1977 wurde ein Programm initiiert um ein staatenübergreifendes System von
Permafrostbeobachtungen mit Hilfe von Bohrlöchern zu entwickeln. Hiermit sollten die
Effekte der Klimaänderungen auf den kontinuierlichen und diskontinuierlichen Permafrost
untersucht werden. Weiterhin bestand das Ziel den gegenwärtigen Erwärmungstrends des
Permafrostes und der aktiven Schicht zu dokumentieren sowie die Eigenschaften dieser
sowie der in ihnen ablaufenden Prozesse zu analysieren.
An 22 Untersuchungsstandorten, die sich in der Nähe der Alyeska-Ölpipline befinden,
wurden Bohrlöcher mit einer Tiefe zwischen 15 und 80 m abgeteuft. Hinzu kamen sieben
andere Bohrlöcher mit denselben Tiefen. Die Untersuchungsstandorte befanden sich in der
Nähe von meteorologischen Stationen mit langen Klimaaufzeichnungen, was die
Rekonstruktion der ehemaligen Mächtigkeit der aktiven Schicht und Permafrostbedingungen
ermöglichte. Die Bohrungen wurden im Frühling vorgenommen als die aktive Schicht
gefroren und die Schneebedeckung am geringsten war.
Ausgewählte Temperaturprofile des nördlichsten Untersuchungsstandortes Deadhorse von
1983 bis 2001 zeigen eine deutliche Tendenz zur Erwärmung, die sich bis in eine Tiefe von
über 50 m deutlich erkennen lässt (Abb.3). Obwohl die ermittelten Bodentemperaturen noch
deutlich unter 5°C liegen und damit ein stabiler Permafrost vorherrscht, ist diese Entwicklung
als kritisch zu bewerten. Bei der Betrachtung der zeitlichen Verteilung der
Permafrosttemperaturen für verschiedene Tiefen ist in 20 m Tiefe von 1984 bis 2001 eine
Nettoerwärmung um 1,7°C festzustellen (Abb.4). Tiefere Temperaturen weisen auf eine
Erwärmung um 1980 hin. Die Amplitude der Erwärmung der Bodenoberfläche wird mit 3 bis
4°C abgeschätzt.
5

Abbildung 3: Ausgewählte Temperaturprofile
im kontinuierlichen Permafrost bei dem Untersuchungsstandort
Deadhorse [6]
Bei der Analyse der täglichen Temperaturen der Luft, der Bodenoberfläche und der
Permafrostoberfläche der Untersuchungsstation Deadhorse fällt auf, dass die Temperaturen
der Bodenoberfläche nicht mit denen der Luft übereinstimmen (Abb.5). Die durchschnittliche
Lufttemperatur beträgt -12,2°C; die der Bodenoberfläche -5,9°C und der
Permafrostoberfläche -6,2°C. Zwischen der Bodenoberfläche und der Oberfläche der
Permafrostdecke besteht demnach eine durchschnittliche Differenz von 0,3°C. Die von der
Schneedecke ausgehenden Effekte, Vegetation, eine kleinräumige Topographie, Wind oder
Wechselwirkungen zwischen diesen Faktoren können eine Erklärung für diese
Temperaturdifferenz sein. Weiterhin konnte ein Anstieg der Temperaturen des Permafrostes
um 3 bis 4°C beobachtet werden. Seit 1995 lagen diese Temperaturen über -15°C,
wohingegen die sechs vorhergehenden Winter kälter waren. Die Erwärmung beschränkt sich
allerdings vorwiegend auf Winter- und Frühlingsmonate.
Die Messreihen des deutlich weiter südlich gelegenen Analyseortes Hogan Hill belegen eine
systematische Erwärmung um wenige Zehntel Grad, die bis in eine Tiefe von 50 m reicht
(Abb.6). Aufgrund dieser geringen Erwärmung in allen Tiefen, der andauernden Krümmung
der Kurve sowie des Ausschließens von oberflächlichen Temperaturstörungen kann auf
beträchtliche Mengen von ungefrorenem Wasser im Permafrostboden geschlussfolgert
werden, das die thermische Reaktion des Bodens verzögert [6].
6
Abbildung 4: Zeitliche Verteilung der
Permafrosttemperaturen für verschiedene
Tiefen für den Untersuchungsstandort
Deadhorse [6]

Abbildung 5: Tägliche Temperaturen
der Luft, der Bodenoberfläche und
der Permafrostoberfläche für die
Untersuchungsstation Deadhorse [6]
Eine weitere Untersuchung in Alaska von 1994 bis 1998 zeigt eine schnelle und weit
verbreitete Degradation des Permafrostes an, die die Umwandlung der vorherrschenden
Birkenwälder in Sumpfländer und Moore nach sich zieht. Nach dem Auftauen des
Permafrostes treten Setzungen von 1- 2,5 m. Diese Thermokarsterscheinungen erstrecken
sich über 42 % des Untersuchungsgebietes. Die aufgetauten Permafrostböden werden
schnell von aquatischen und grasartigen Pflanzen bewachsen, so dass sich eine dicke, auf
dem Wasser schwimmende organische Auflage bildet. Die Birkenwälder sind bereits um 35 %
zurückgegangen, wohingegen sich die Sümpfe von 1949 bis 1995 um 29 % ausgebreitet
haben. Insgesamt erhöhte sich der Anteil degradierter Permafrostböden in 46 Jahren von 39
auf 46 %. Wenn die derzeitigen Bedingungen bestehen bleiben, wird der niedrig gelegene
Birkenwald bis zum Ende des nächsten Jahrhunderts verschwunden sein [2].
3. Konsequenzen für chemische und biologische Bodenprozesse
3.1 MIKROBIELLE AKTIVITÄT
Die Frost-Tau-Zyklen sind für die Entwicklung von mikrobieller Aktivität verantwortlich.
Nährstoffe, die durch Verwitterungsprozesse freigesetzt wurden oder von zersetzen Zellen
stammen, können von Mirkoorganismen genutzt werden. Dadurch wird die enzymatische
Aktivität gesteigert, was wiederum weitere biochemische Reaktionen beeinflusst. Eine
7
Abbildung 6: Ausgewählte Temperatur-
profile des diskontinuierlichen Permafrostes
für die Untersuchungsstation Hogan Hill [6]

Verdünnung der vorliegenden gelösten organischen Substanz oder eine geringfügige
Veränderung des C/N-Verhältnisses können sich auf das Gleichgewicht zwischen
Remineralisation und Immobilisierung auswirken. Feuchtigkeit erlaubt es Cyanobakterien
und Algen vorzukommen, deren Schleimabsonderungen lokal als Dünger dienen. Die
Aktivität der Mikroorganismen und – fauna führt zu einer Vermischung und Integration von
organischem Material in die mineralische Matrix. Dadurch wird die biochemische
Verwitterung und Frostsprengung verstärkt, die zusammen mit feinen und amorphen
Tonpartikel sowie organische Gelen zur Erhöhung der Frostempfindlichkeit beitragen [1].
3.2 WURZELSYSTEM
Das Wurzelsystem trägt über die Freisetzung von niedermolekularen organischen Säuren
zur Veränderung der Struktur der Mineralpartikel und Aggregate bei und erzeugt dadurch
eine höhere innere Oberfläche. Aufgrund dessen erhöht sich die Austauschkapazität.
Außerdem verändern sich Poren und Nischen, die nun von Mikroorganismen besiedelt
werden können. Die Kohlenstoffverteilung durch Pflanzen sowie deren gesteigertes
Wurzelwachstum ziehen weitere Effekte nach sich.
Die Pufferung des Kohlenstoffvorrates sowie der Nährstoffreserven haben für andere
biologische Bodenprozesse Bedeutung. Die Veränderung der Bodenprozesse durch das
Wurzelsystem geschieht über verschiedene Zeiträume in Abhängigkeit der
Pflanzenbedeckung. Gras- oder moosartige Gemeinschaften reagieren beispielsweise in
kürzerer Zeit als Wälder. Die Nutzung verschiedener Bodenhorizonte, um Nährstoffe zu
erhalten, resultiert in einer differenzierten Anfälligkeit und Reaktion auf
Umweltveränderungen der Pflanzengemeinschaften. Da flache Wurzelsysteme an die aktive
Schicht gebunden sind, reagieren Tundren beispielsweise sensibler als Wälder [1].
3.3 CO2 –KREISLAUF
Die Bodenatmung ist der Hauptpfad, auf dem das durch Landpflanzen gebundene CO2
zurück in die Atmosphäre gelangt. Dieser natürliche Fluss von etwa 75*10 15 gC a -1 kann
durch veränderte Umweltbedingungen leicht erhöht werden [8]. Bereits geringe Änderungen
können zu einer signifikanten Rückkopplung mit den Treibhausgasen in der Atmosphäre
führen. Eine Veränderung um 10 % kämen dem gesamten anthropogen ausgestoßenen CO2
der letzten 30 Jahre gleich [3].
Steigende CO2-Konzentrationen in der Atmosphäre können zu einer Verstärkung des CO2-
Flusses vom Boden führen [8]. Dieser Effekt beruht auf der Steigerung der Zersetzungsrate
der organischen Substanz im Zuge der globalen Erwärmung. Die Abbaurate ist abhängig von
Bodeneigenschaften wie etwa dem pH-Wert und der Textur sowie Klimafaktoren und der
8

Menge an verfügbarem organischem Kohlenstoff [3]. Die größten Reaktionen sind in
oberflächlichen Abbauprodukten und kalten Klimaten nachgewiesen worden. Der Verlust von
Kohlenstoff aus dem Boden wird in den borealen Wäldern sowie in der Tundra am größten
sein, da in diesen Regionen die größten Mengen an labilem organischen Material
vorkommen und die stärksten Erwärmungen prognostiziert sind [8].
In einem in Michigan durchgeführten Experiment wurden die Erwärmung eines Podsols [7]
und daraus resultierende Veränderungen der mikrobiellen Respiration untersucht. Dazu
wurden Zylinderproben aus dem Ober- und Unterbodenhorizont eines typischen Podsols
unter Wald inkubiert. Die untersuchten Böden waren sauer, von grober Textur und enthielten
hohe Konzentrationen von organischem Kohlenstoff im Bereich von 10 gkg -1 .
Mit Hilfe der Erwärmung der Bodenproben
konnten verschiedene jahreszeitliche
Temperaturverläufen über 33 Wochen simuliert
werden (Abb.7). Zusätzlich wurde eine
vergleichende Versuchsreihe den Temperaturen
ausgesetzt, die für das Untersuchungsgebiet
typisch sind. Die Mengen an CO2 und
Kohlenstoff wurden gemessen und die
Auslaugungsprodukte
Abbildung 7: Jahreszeitliche wurden von 16 Proben im Abstand von zwei
Verläufe der Bodentemperaturen des Wochen gesammelt. Die mikrobielle
Inkubationsexperiments [4]
Respirationsrate war nach Anpassung der
Unterschiede der anfänglichen Atmung bei der vorgenommenen Bodenerwärmung
signifikant höher als ohne Erwärmung. Ohne Korrektur der Respirationsunterschiede zu
Beginn war die Respirationsrate in den Oberbodenhorizonten 2,6 mal so hoch wie in den
Unterbodenhorizonten (Abb.8). Damit konnte eindeutig eine Reaktion der mikrobiellen
Atmung auf einen Temperaturanstieg belegt werden. Außerdem wurde herausgefunden,
dass die Zusammensetzung der mikrobiellen Lebensgemeinschaften sich mit steigenden
Temperaturen ändert [4].
Vergleichende Betrachtung der CO2-Flüsse von den 1970ern und den 1990ern zeigen, dass
sich arktische Regionen von einer CO2-Senke zu einer Quelle gewandelt haben. Mittlere und
hohe arktische Regionen reagieren aufgrund der Ausdehnung der Vegetation als CO2-
Senke. Dabei passen sich mache Pflanzen relativ schnell an erhöhte CO2-Konzentrationen
an und sind auf diese Weise in der Lage CO2 zu puffern. Niedrige arktische Gebiete wirken
dagegen wegen des verstärkten Abbaus organischer Substanz als CO2-Quellen [1].
9

Bodenatmung[mgC/gC]
60
50
40
30
20
10
0
Oberbodenhorizonte (Ahe+Ae) Unterbodenhorizonte (Bh+Bs)
Horizonte
Erwärmung Normalttemperaturen
Abbildung 8: Nicht angepasste kumulative CO2-C-Atmung nach 33 Wochen [verändert nach
4]
4. Ausblick
Um die Permafrostböden und die aktive Schicht sowie die in ihnen ablaufenden Prozesse zu
untersuchen, sind großräumige Beobachtungen und Experimente erforderlich. Nur dann ist
es möglich die Konsequenzen der globalen Erwärmung auf chemische und biologische
Bodenprozesse sowie deren Ausmaße abzuschätzen.
10

5. Literatur
1. BÖLTER, M. (1996): Consequenses of global warming on soil processes in Arctic
regions.- Polarforschung 66(1/2): 1-10; erschienen 1999
2. JORGENSON, M. T., RACINE, C. H., WALTERS, J. C. & OSTERKAMP, T. E. (2001):
Permafrost Degradation and ecological changes associated with a warming climate in
central Alaska.- Climatic Change 48: 551-579
3. KIRSCHBAUM, M. U. F. (2000): Will changes in soil organic carbon act as a positive or
negative feedback on global warming?.- Biogeochemistry 48: 21-51
4. MACDONALD, N. W., RANDLETT, D. & ZAK, D. R. (1999): Soil warming and carbon loss
from a lake states spodosol.- Soil Science Society American Journal 63: 221-218
5. NELSON, F. E., ANISIMOV, O. A. & SHIKLOMANOV, N. I. (2002): Climate change and
hazard zonation in the circum-arctic perfofrost regions.- Natural Hazards 26: 203-225
6. OSTERKAMP, T. E. (2003): Establishing long-term permafrost observatories for activelayer
and permafrost investigation in Alaska: 1977-2002.- Permafrost and Periglacial
Processes 14: 331-342
7. SCHEFFER, F. & SCHACHTSCHABEL, P. (2002): Lehrbuch der Bodenkunde, Spektrum
Akademischer Verlag GmbH, 15. Auflage, Heidelberg, 593 S.
8. SCHLESINGER, W. H. & Andrews J. A. (2000): Soil respiration and the global carbon
cycle.- Biogeochemistry 48: 7-20
9. VENÄLÄINEN, A.,TUOMENVIRTA, H., LAHTINEN, R. & HEIKINHEIMO, M. (2001): The
influence of climate warming on soil frost on snow-free surfaces in Finland.- Climate
Change 50: 111-128
10. WALTHER, G.-R., PROBST, E., CONVEY, P., MENZEL, A., PARMESAN, C., BEEBEE, T. C.
J., FROMENTIN, J.-M., HOEGH-GULDBERG, O. & BAIRLEIN, F. (2002): Ecological
responses to recent climate change.- Nature 416: 389-395
11