Veränderte Vegetation auf aufgetautem Permafrostboden verstärkt die Emission von Treibhausgasen

Auf den auftauenden Permafrostböden der Arktis verschiebt sich die Pflanzenwelt, wobei Gräser zunehmend langsam wachsende Sträucher verdrängen. Obwohl diese Gräser mehr Kohlendioxid binden, verursachen sie im Jahresverlauf deutlich höhere Emissionen von Methan. Methan ist ein Treibhausgas, das die Erderwärmung weitaus stärker vorantreibt als CO2​. Ein Forschungsteam der Universität Tübingen unter der Leitung von Professorin Marie Muehe und Professor Andreas Kappler untersuchte dieses komplexe Zusammenspiel zwischen Vegetation und feuchten Böden im schwedischen Stordalen-Moor Damit wollten sie die Freisetzung von Treibhausgasen unter wechselnden jahreszeitlichen Bedingungen genau quantifizieren.

„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. Infolge der zunehmenden Nässe schwinden an Dauerfrost angepasste Sträucher wie Rosmarinheide oder Zwerg-Birke. Währenddessen siedeln sich zunächst Torfmoose an, die bei fortschreitender Staunässe schließlich von schneller wachsenden Wollgräsern und Seggen abgelöst werden.

Während grüne Pflanzen durch Fotosynthese Kohlendioxid binden, geben sie einen Teil der produzierten Stoffe wieder ab. „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. Welche Mikroben sich dort vermehren, hänge von Faktoren wie Nährstoffen und 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 ihrer Studie untersuchte das Forschungsteam den Stoffumsatz im Wurzelbereich verschiedener Pflanzengemeinschaften direkt im Freiland des Stordalen-Moors. Über eine gesamte Wachstumssaison hinweg erfassten die Wissenschaftler zu festgeschriebenen Zeitpunkten sowohl die natürlichen Wurzelausscheidungen als auch die entstehenden Treibhausgase unter Berücksichtigung der Bodenchemie. Dabei verglichen sie die Daten aus den drei Stadien der ursprünglichen Torfhügel, der Moore und der 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. Zwar speicherten die Gräser von Juni bis August durch ihre Fotosynthese deutlich mehr Kohlendioxid als Torfmoose oder Sträucher, doch kehrte sich dieser Effekt im Zeitverlauf um. „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.

Quelle

Eberhard Karls Universität Tübingen (03/2026)