Seit 30 Jahren beobachten Wissenschaftler eine Salzwiese im Zentrum von Maryland beim Atmen. Das heißt, sie haben untersucht, wie ein Ökosystem in Chesapeake Bay Kohlendioxid aus der Atmosphäre abzieht, einen Teil des Kohlenstoffs im Untergrund speichert und einen Teil in Form von Methangas wieder in die Luft abgibt.
Auf dem Weg dorthin haben sie die Umwelt manipuliert, um eine zukünftige Welt mit mehr atmosphärischem Kohlendioxid (CO 2 ) nachzuahmen, dem Treibhausgas, das für die globale Erwärmung, höhere Meeresspiegel und mehr Nährstoffe aus verschmutztem Abwasser verantwortlich ist. Wenn die Vegetationsperiode in diesem Frühjahr beginnt, werden sie ein weiteres Puzzleteil erforschen, in der Hoffnung, ein klareres Bild von der Zukunft zu bekommen. Sie wollen wissen, was mit dem Sumpf passiert, wenn die Temperatur steigt.
„Wir haben 30 Jahre lang CO 2 in diesem Sumpf erzeugt, aber [erhöhtes] CO 2 geht mit einer Erwärmung einher“, sagt Pat Megonigal, leitender Forscher der neuen Studie im Global Change Research Wetland am Smithsonian Environmental Research Center (SERC). . „Wärmende Luft wandelt sich mit der Zeit in den Boden um. Wir kommen nur dazu, diesen Teil anzugreifen. “
Als stellvertretender Direktor des Umweltforschungszentrums überwacht Megonigal diesen Feldstandort, an dem Dutzende von Wissenschaftlern Experimente durchführen. Hier ist der Sumpf mit Testparzellen übersät, die wie durchsichtige Plastikräume aussehen, die über Flecken von Schilf und Gras gebaut sind. Die Plastikgegenstände prägen eine Landschaft, die von Promenaden, Kabeln und Schläuchen durchzogen ist. Hier und da sind die Promenaden von Holzkisten unterbrochen, in denen die verschiedenen Kontrollstationen untergebracht sind.
Forscher wie Megonigal untersuchen seit mehr als drei Jahrzehnten den Klimawandel in diesem 125 Hektar großen Sumpf in einem unentwickelten Gebiet des Rhode River. Was sie gelernt haben, hat wichtige Auswirkungen, nicht nur auf die Zukunft der Feuchtgebiete, sondern auch auf den bevorstehenden Klimawandel, da durch den Verlust von Feuchtgebieten wie Sümpfen und Mooren Millionen Tonnen Kohlendioxid in die Atmosphäre gelangen können.
Obwohl Feuchtgebiete wie Sümpfe, Moore und Mangrovenwälder nur vier bis sechs Prozent der Landfläche der Erde einnehmen, halten sie ein Viertel des gesamten im Erdboden gespeicherten Kohlenstoffs.
Alle Pflanzen nehmen Kohlendioxid aus der Atmosphäre auf und wandeln es in Blätter, Stängel und Wurzeln um. Der Kohlenstoff wird jedoch wieder in die Atmosphäre freigesetzt, wenn Bakterien im Boden abgefallene Blätter und anderes abgestorbenes Pflanzenmaterial zersetzen.
In einem Feuchtgebiet entzieht eine häufige Überflutung mit Wasser den sauerstoffliebenden Bakterien den Sauerstoff und verlangsamt sie. Abgestorbenes Pflanzenmaterial zerfällt nicht so schnell wie in einer trockeneren Umgebung. Es sammelt sich an, verdichtet sich und wird zu kohlenstoffreichem Torf. Die Speicherung von Kohlenstoff auf diese Weise puffert die Atmosphäre vor aufsteigendem Kohlendioxid.
Aber die Geschichte hat eine dunklere Seite. Die feuchten Bedingungen werden für die Fermentation vorbereitet, wodurch Methan entsteht, ein weiteres Treibhausgas auf Kohlenstoffbasis, das 25- bis 45-mal so stark ist wie Kohlendioxid. Tatsächlich stellen Feuchtgebiete die größte einzelne Methanquelle dar und verursachen schätzungsweise 22 Prozent aller globalen Methanemissionen.
Im Dezember 2015 haben Staats- und Regierungschefs aus 195 Ländern in Paris eine Vereinbarung zur Begrenzung der globalen Erwärmung auf nicht mehr als 2 Grad Celsius über dem vorindustriellen Niveau getroffen. Darüber hinaus verpflichteten sie sich zu Methoden, die diese Zahl auf 2, 7 Grad Fahrenheit über dem vorindustriellen Niveau senken würden.
Im weltweiten Durchschnitt sind die Temperaturen in den letzten 120 Jahren bereits um 1, 4 Grad Celsius gestiegen. Um diese ehrgeizigen Ziele zu erreichen, müssen die globalen Treibhausgasemissionen rasch gesenkt werden, was ohne eine hinreichend genaue Bilanzierung nicht zu überwachen ist zwischen Kohlenstoffemissionen und Kohlenstoffspeicherung auf der ganzen Welt. Dafür müssen globale Führungskräfte verstehen, was in den Feuchtgebieten vor sich geht.
"Nichts kann vom Tisch genommen werden", sagt Virginia Burkett , Chefwissenschaftlerin für Klima- und Landnutzungsänderungen beim US Geological Survey. „Alle Systeme müssen hinsichtlich ihrer Fähigkeit, Kohlenstoff zu speichern, bewertet werden, nicht nur hinsichtlich der Emissionen allein. Die Speicherung von Kohlenstoff und wie der Mensch die Fähigkeit von Systemen wie Feuchtgebieten, Kohlenstoff zu speichern, verbessern kann, ist ebenfalls von entscheidender Bedeutung, um diese enormen Einsparungen zu erzielen, die von der internationalen Gemeinschaft projiziert und erwartet werden und denen sich die internationale Gemeinschaft verpflichtet fühlt. “
Forscher wie Pat Megonigal (links) untersuchen seit mehr als drei Jahrzehnten den Klimawandel in diesem 125 Hektar großen Sumpf in einem unbebauten Gebiet des Rhode River. (Smithsonian Environmental Research Center) Die Berücksichtigung natürlicher Ökosysteme wird jedoch nicht einfach.
Wie viel Kohlenstoff Feuchtgebiete aufnehmen, wie viel sie freisetzen, wie schnell sich der Boden ansammelt und ob Gezeitenfeuchtgebiete mit steigenden Meeren Schritt halten oder von diesen verschluckt werden, sind alles Faktoren, die miteinander verflochten sind und von einer Vielzahl von Einflüssen abhängen.
Wie das Ziehen einer Schnur in einem verwickelten Seilnetz, während sich eine Schleife löst, spannt sich eine andere und verändert die Form des gesamten Bündels. In einem Sumpf verändern sich Temperatur, Salzgehalt, Kohlendioxid und Verschmutzung des Landes auf einmal. Im Laufe der Jahre haben Wissenschaftler am Knotenpunkt gepickt und die Komplexität aufgeklärt, aber es gibt noch viel mehr zu verstehen.
Während Megonigals Experiment zur Bodenerwärmung in diesem Frühjahr beginnt , wird er die Wärme von der Oberseite der Pflanzen bis zum Boden der Wurzelzone, viereinhalb Fuß unter der Oberfläche, ankurbeln.
Bis zum Frühjahr wird sein Team 30 neue Testfelder in der Ecke des Sumpfgebiets hinzufügen. Megonigal verwendet eine Reihe von Infrarot-Wärmelampen und ein in den Boden eingelassenes Gitter aus Elektrokabeln, um die Temperatur in seinen Parzellen in gleichmäßigen Schritten zu erhöhen. Der Anstieg reicht von 0 Grad bis zu 7, 2 Grad Fahrenheit über der Umgebung und entspricht in etwa den wärmsten Bedingungen, die für das Jahr 2100 prognostiziert wurden, wenn nichts unternommen wurde, um den Klimawandel einzudämmen.
Sein Hauptziel ist es, die Faktoren zu verstehen, die den Zerfall und die Anreicherung abgestorbener Pflanzen im Salzsumpf beeinflussen. Wenn sich der Torfboden schnell genug aufbaut, kann er möglicherweise mit dem Anstieg des Meeresspiegels Schritt halten. Wenn nicht, kann der Sumpf einfach ertrinken.
Die Frage ist, ob Gemeinden, die auf Sümpfe angewiesen sind, die Anbaugebiete für wichtige kommerzielle Fische bieten und tiefliegendes Land vor Sturmfluten und heftigen Wellen schützen, ein Nagelbeißer sind.
Das Gelände, auf dem Dutzende von Wissenschaftlern Experimente durchführen, ist mit Plastikgegenständen übersät und von Promenaden, Kabeln und Schläuchen durchzogen. (Kimbra Cutlip) Laut Bodenkernen hat die Salzwiese im Environmental Research Center 4.000 Jahre überlebt. In dieser Zeit hat sich die Chesapeake Bay 15 Fuß erhöht, und der Sumpf hat sich stetig aufgebaut, um Schritt zu halten.
Viele Feuchtgebiete auf der ganzen Welt haben dasselbe getan. Aber das Klima ändert sich und der Meeresspiegel steigt schneller als je zuvor. Darüber hinaus hat die Verschmutzung die Chemie des Wassers verändert, und neu eingeführte Pflanzen- und Tierarten können wichtige Aspekte der Funktionsweise des Ökosystems verändern. Sogar die Menge an Sediment, die in Feuchtgebiete gespült wird, hat sich mit der menschlichen Entwicklung auf dem Land schnell geändert.
Megonigal geht davon aus, dass die zugefügte Wärme die Mikroben im Untergrund in Schwung bringt und die Zersetzungsrate der Wurzeln und anderer organischer Stoffe erhöht. In diesem Fall könnte das langsame Absinken des Sumpfes und die Freisetzung von mehr Methan in die Atmosphäre vorausgesagt werden. Andererseits vielleicht auch nicht.
Vielleicht dominieren langsamere Mikroben “, sagt Stephen Long, Professor für Pflanzenwissenschaften und Pflanzenbiologie an der Universität von Illinois und Chefredakteur der Zeitschrift Global Change . Oder die Kombination aus Erwärmung und zugefügtem Kohlendioxid lässt Pflanzen schneller wachsen als sie verderben können. Beides kann das Niveau des Sumpfes erhöhen. "Es wird sehr schwierig, mit Sicherheit vorherzusagen, was passieren wird, weshalb ein solches Experiment so wichtig ist", sagt er.
Long gehört zu den vielen Forschern, die am Smithsonian-Sumpfgebiet Experimente durchgeführt haben. Der Gedanke, diese Art von Arbeit in der Natur zu verrichten, sei revolutionär gewesen, als das erste Experiment vor 30 Jahren durchgeführt wurde. Es gibt so viele Faktoren, die in der Natur kontrolliert oder berücksichtigt werden müssen, dass viele Wissenschaftler dachten, dies sei nicht möglich.
Bert Drake, ein Pflanzenökologe und emeritierter Wissenschaftler am Environmental Research Center, war der Mann, der sie 1985 als falsch erwiesen hat.
Das Wachstum einer Pflanze korreliert mit der Menge an Kohlenstoff, die sie aufnimmt, und Drake entwickelte zunächst ein elegantes Experiment, um das Wachstum im Sumpf zu überwachen. "Ich sagte gut, anstatt dorthin zu gehen und alle Pflanzen zu messen, messen wir einfach den CO 2 -Fluss", sagt er. "Die Leute, die unseren Vorschlag geprüft haben, dachten, wir würden uns weit über das hinaus, was sie im Labor für möglich hielten, in die Praxis ausdehnen."
Bert Drake, Pflanzenökologe und emeritierter Wissenschaftler am Environmental Research Center, entwickelte ein elegantes Experiment zur Überwachung des Sumpfwachstums. (Smithsonian Environmental Research Center) Drake entwarf eine Reihe von zylindrischen Kammern mit offenem Boden, um sie über Sumpfgebieten zu platzieren. Sie hatten einen Durchmesser von drei Fuß und einen achteckigen Aluminiumrohrrahmen mit durchsichtigen Kunststoffwänden und einer offenen Oberseite, damit sie keine Hitze wie ein Gewächshaus einfangen konnten. Anschließend leitete er Kohlendioxid in die Kammern und erhöhte den Wert auf das Niveau, das in Zukunft für 100 Jahre erwartet wurde.
„Wir könnten die Konzentration des in die Kammern gelangenden und des darin befindlichen CO 2 sowie des ausgehenden CO 2 überwachen“, sagt er. Sofortige Ergebnisse zeigten, dass die Seggen in Drakes Kammern mit zunehmender Kraft wuchsen und das zusätzliche Kohlendioxid aufsaugen, während sich die Gräser nicht veränderten. Das Muster stimmte mit dem überein, was Wissenschaftler im Labor gesehen hatten, und bewies, dass seine Methode funktionierte. Er hatte erfolgreich eine kontrollierte Studie in einer ansonsten unkontrollierbaren Umgebung durchgeführt. Drake konnte nun anderen Beobachtungen vertrauen, wie die Pflanzen Wasser und Nährstoffe verwendeten und mit ihrer mit Kohlendioxid angereicherten Umgebung interagierten. "Mit einem solchen Ansatz könnten wir den Nettogewinn an Kohlenstoff oder -verlust messen und dies in Abhängigkeit von Temperatur, Niederschlag, Sonnenlicht tun, wie Sie es nennen."
Um zu demonstrieren, dass ein solches Experiment möglich war, hätte Drake nie erwartet, dass sein Projekt die Grundlage für einen Feldstandort sein würde, der drei Jahrzehnte dauern und ähnliche Arbeiten in anderen Umgebungen auf der ganzen Welt anregen würde. Es ist jetzt die am längsten laufende Feldstudie, die jemals über die Auswirkungen des Kohlendioxidanstiegs auf eine Pflanzengemeinschaft durchgeführt wurde, und sie wird noch durchgeführt.
"Während wir es studiert haben, ist das Kohlendioxid in der Atmosphäre um 13 oder 14 Prozent gestiegen", sagt Drake. „Der Meeresspiegel stieg auf etwa 10 oder 15 cm.“ Darüber hinaus konnten er und die Dutzende von Forschern, die jetzt Experimente vor Ort durchgeführt haben, den Sumpf unter den unterschiedlichsten Umgebungsbedingungen beobachten Von nassen bis trockenen Jahren, von wärmeren bis kühleren Jahren, langen und kurzen Vegetationsperioden.
"Eine so lange kontinuierliche Studie gibt uns wirklich eine Menge Informationen, die wir einfach nicht anders bekommen können", sagt Long. „[Drake] hat etwas völlig Neues aufgenommen, als er es eingerichtet hat. Es war eine sehr kühne Sache und es ist gelungen. “
Eine der frühen Entdeckungen von Drake war, dass die Erhöhung des Kohlendioxids in den Sumpf zu erhöhten Emissionen von Methangas führte. Sie erfuhren auch, dass Seggenpflanzen keine Gräser überholen, obwohl sie in einer Umgebung mit hohem Kohlendioxidgehalt schneller wachsen können.
Jede Entdeckung führte zu weiteren Fragen und der Feldstandort wuchs exponentiell. Wissenschaftler wie Megonigal, die Drake folgten, haben ihr Design verbessert, geschweißte Aluminiumrahmen für PVC ausgetauscht, die Kammern vergrößert und weitere für zusätzliche Studien hinzugefügt. Auf dem Weg dorthin haben sich neue Experimente eingehender mit komplexen Wechselwirkungen im Ökosystem befasst.
Das Wachstum einer Pflanze korreliert mit der Menge an Kohlenstoff, die sie aufnimmt, und Bert Drake (der die Messungen überprüft) entwickelte zunächst ein elegantes Experiment, um das Wachstum im Sumpf zu überwachen. (Smithsonian Environmental Research Center) Als die Wissenschaftler den Stickstoff im Boden erhöhten, um einen zunehmenden Abfluss vom Land zu simulieren, stellten sie fest, dass nicht alle Pflanzen gleich reagierten und ihre Reaktionen sich je nach verfügbarem Kohlendioxid und Wasser änderten. Schritt für Schritt haben sie wichtige Interaktionen auseinandergenommen und nach einem Fenster gesucht, wie der Sumpf in den nächsten 100 Jahren aussehen könnte.
Im Jahr 2015 veröffentlichte Megonigal eine Studie, in der er und seine Kollegen die Pflanzen unterschiedlichen Wasserständen aussetzten, um zu sehen, wie sie auf den steigenden Meeresspiegel reagieren würden. „Wir haben erwartet, dass der Sumpf mit dem Eintauchen mehr Kohlenstoff speichern und tatsächlich mit dem Anstieg des Meeresspiegels mithalten kann“, sagt Megonigal. Sie dachten, dass eine häufigere Überflutung mit Wasser den Sauerstoffgehalt in der obersten Schicht des Bodens niedrig halten würde. Das würde die Mikroben verlangsamen, die tote Pflanzenwurzeln zersetzen und mehr Boden ansammeln lassen.
Aber das ist nicht passiert. Wie kleine Schnorchel für Mikroben transportieren die Wurzeln Sauerstoff aus der Luft in den Boden, so dass es eigentlich egal ist, wie lange der Boden unter Wasser liegt. Entscheidend ist, wie viele Wurzeln Sauerstoff an die Mikroben abgeben. Megonigal stellte fest, dass je mehr Wurzeln Sie haben, desto mehr Zersetzung auftritt.
„Die Art und Weise, wie die Zersetzung in Modellen dargestellt wird, geht nicht auf den Einfluss von Pflanzen ein“, sagt Megonigal. „Unsere Modelle sind also zum größten Teil falsch, zumindest basierend auf dieser einen Studie. Wir müssen uns auf die Kombination dieser Dinge konzentrieren, denn es sind ihre Wechselwirkungen, die für das Verständnis des Klimawandels wirklich wichtig sind. “
Für politische Entscheidungsträger bedeutet das Verständnis der Kombination von Faktoren, die das Überleben von Feuchtgebieten beeinflussen, mehr als nur zu wissen, was passieren wird. Die aktive Bewirtschaftung des Landes wird ein wesentlicher Bestandteil der Strategien einiger Nationen sein, um die globale Erwärmung zu begrenzen.
Laut Burkett vom US Geological Survey könnte es nicht dringender sein. "[Feuchtgebiete] geben auf natürliche Weise Methan ab, speichern aber auch Milliarden Tonnen Kohlenstoff, und wie sie gehandhabt werden, beeinflusst die Geschwindigkeit der Kohlenstoffbindung und -freisetzung."
Durch die Aufrechterhaltung oder Wiederherstellung der natürlichen Hydrologie in Feuchtgebieten kann die Kohlenstoffspeicherfähigkeit erhöht werden, während durch die Umwandlung in Landwirtschafts- oder Krabbenteiche möglicherweise das im Boden gespeicherte Kohlendioxid freigesetzt wird.
„Eine Schlüsselbotschaft für politische Entscheidungsträger ist, dass Feuchtgebiete komplexe Systeme sind. Um die langfristige Speicherung von Kohlenstoff in diesen Feuchtgebieten zu verbessern, muss man den biogeochemischen Kreislauf von Kohlenstoff in diesen Systemen verstehen. Das ist ein wissenschaftliches Unterfangen, das dazu beitragen wird, das Engagement der Länder auf der ganzen Welt in Paris zu unterstützen. “
Was Wissenschaftler in diesem Feldprojekt gelernt haben, ist nicht nur für die Zukunft von Feuchtgebieten wichtig, sondern auch für den bevorstehenden Klimawandel, da durch den Verlust von Feuchtgebieten wie Sümpfen und Mooren Millionen Tonnen Kohlendioxid in die Atmosphäre gelangen können. (Tom Mozdzer)
