Seit Jahrtausenden bedient sich der Mensch natürlicher Ökosysteme zum Anbau von Nahrungsmitteln und Anpflanzen von Bäumen für Brenn- und Nutzholz. Inzwischen sind ca. 40 % der eisfreien Fläche mit Kulturpflanzen oder Gras- und Weideland bedeckt. In vielen Teilen der Welt nimmt der so genutzte Boden aufgrund der wachsenden Weltbevölkerung und des damit wachsenden Bedarfs an Nahrungsmitteln stetig zu. 

Auswirkungen der Landnutzung auf das Klima

Bei der Untersuchung der Auswirkungen dieser Umwandlung der natürlichen Ökosysteme wird zwischen Bodenbedeckungs- und Landnutzungsänderung unterschieden. Die Bodenbedeckungsänderung ist die Umwandlung eines Ökosystemtyps, etwa durch Ersetzen eines natürlichen Waldes oder Graslands durch landwirtschaftliche Kulturen. Die Landnutzung/-änderung ist die Art und Weise der Bewirtschaftung von Kulturen, Gras- und Weideland oder Wäldern. Eine solche Landnutzungsänderung kann beispielsweise in der Änderung der Dünger- oder Bewässerungsmenge, der Beweidungsdichte oder der Zusammensetzung der Baumarten eines bewirtschafteten Waldes bestehen.Sowohl Bodenbedeckungs- als auch Landnutzungsänderungen stehen in Wechselwirkung mit dem Klimawandel und werden hier nicht unterschieden, so dass im Weiteren nur noch von der Landnutzungsänderung die Rede ist.

Freisetzung von Treibhausgasen

Landnutzungsänderungen haben vielfältige Auswirkungen auf den Klimawandel, da sie beispielsweise auch die Freisetzung von Treibhausgasen in die Atmosphäre beeinflussen. Treibhausgase wie Kohlendioxid (CO2), Stickstoffoxid (N2O) und Methan (CH4) haben sich insbesondere im Laufe der vergangenen 100 bis 200 Jahre, aufgrund menschlichen Handelns, in der Atmosphäre angereichert. Die Treibhausgaskonzentration in der Atmosphäre kann direkt mittels einer Reihe weltweit installierter Beobachtungsstationen gemessen werden. Darüber hinaus können aber beispielsweise auch in Gletschern eingeschlossene Gasblasen Auskunft geben und belastbare Aussagen über den Ausstoß von Treibhausgasen vor hunderten und tausenden von Jahren machen. Die genaue chemische Signatur der Treibhausgasmoleküle (die sogenannte isotopische Zusammensetzung) zeigt menschliches Handeln als Hauptquelle der Zunahme der Treibhausgase an.

Beim Ersetzen von Wäldern durch Kulturpflanzen oder Gras- und Weideland gelangen große Mengen von CO2 in die Atmosphäre, das meiste davon direkt (während der Brandrodung des Waldes) oder über die Folgejahre verteilt (wenn die hergestellten Holzprodukte nicht mehr gebraucht und daraufhin verbrannt werden oder wenn sie beginnen, zu verrotten).
In den Stämmen der Bäume werden große Mengen Kohlenstoff gespeichert. Gleichzeitig aber sterben die verbleibenden Wurzeln ab und werden von Bodenorganismen zu CO2 zersetzt. Da Kulturpflanzen und Gräser keine Stämme und weniger Wurzelbiomasse als Bäume besitzen, enthalten landwirtschaftliche Ökosysteme und Wiesenökosysteme insgesamt weniger Kohlenstoff als die Wälder. Somit geht nach Abholzung eines Waldes Kohlenstoff an die Atmosphäre verloren. Umgekehrt kann beim Ersetzen von Kulturpflanzen durch Wälder Kohlenstoff aus der Atmosphäre wieder aufgenommen werden. Weltweit ist allerdings nur eine relativ geringe Zunahme der Waldgebiete zu verzeichnen. Es wird geschätzt, dass ca. ein Drittel des gesamten bisherigen anthropogenen CO2-Ausstoßes durch Rodung im Verlaufe der vergangenen Jahrzehnte bis Jahrhunderte verursacht worden ist.

Neben CO2 sind N2O und CH4 als Treibhausgase maßgeblich. Ca. 50 % des derzeit in der Atmosphäre messbaren Stickstoffdioxids stammen aus der Landwirtschaft und sind hauptsächlich auf die Verwendung von Dünger zurückzuführen. Stickstoffhaltige Düngemittel werden zur Wachstumsunterstützung partiell von den Pflanzen aufgenommen. Teile des Stickstoffs aber verbleiben im Boden und werden dort von Mikroorganismen in stickstoffhaltige Gase, einschließlich N2O, umgewandelt, die später zurück in die Atmosphäre gelangen. CH4 ist ein Nebenprodukt der Aktivität von Bodenorganismen auf Reisfeldern und wird durch sogenannte Methanbildner erzeugt. Diese Mikroorganismen nutzen totes Pflanzenmaterial, um sich zu ernähren und unter sauerstoffarmen Bedingungen zu wachsen (Beispiel: Reisanbau auf gefluteten Feldern). CH4 ist das Endprodukt ihres Stoffwechsels. Darüber hinaus wird CH4 in den Mägen von Wiederkäuern, insbesondere in Kuhmägen, produziert. Nahezu die Hälfte der gesamten jährlichen anthropogenen Methanemissionen stammt derzeit aus der Viehzucht und dem Reisanbau. 

Die genannten Treibhausgase tragen zur Erderwärmung bei. Ihre Auswirkungen sind für das globale Klima relevant, denn sie verfügen über eine geringe chemische Reaktivität und sind langlebig, d. h. haben sehr viel Zeit, sich in der Atmosphäre zu vermischen und verbleiben dort für Jahrzehnte bis Jahrhunderte bis sie schließlich durch physikalische oder chemische Prozesse abgebaut werden.

Stärkere Evapotranspiration

Landnutzungsänderungen beeinflussen das Klima daneben durch Prozesse, die nicht in Verbindung mit der Emission von Treibhausgasen stehen. Diese Prozesse werden häufig unter dem Begriff „biophysikalisch“ zusammengefasst und beruhen auf ihren Auswirkungen auf Strahlung und Evapotranspiration: Beim Auftreffen von Sonnenlicht auf die Landoberfläche wird ein Teil des Lichts direkt zurück in die Atmosphäre reflektiert und die verbleibende Strahlung absorbiert. Der Anteil der Reflexion wird als Albedo bezeichnet. Die Albedo einer dunklen ist geringer als die einer hellen Oberfläche. Eine Forstlandschaft hat somit eine geringere Albedo als eine landwirtschaftlich genutzte Fläche oder Weideland.
Während das absorbierte Sonnenlicht in Wärme umgewandelt wird, beeinflusst also die Albedo die Oberflächentemperatur des Waldes. In für die Nahrungsmittelproduktion bewirtschafteten Ökosystemen wird mehr Sonnenlicht reflektiert, d. h. die Oberflächentemperatur solcher Ökosysteme ist geringer im Vergleich zu der eines Waldes.

Doch damit nicht genug: Die absorbierte Strahlung wird nur zum Teil in Wärme umgewandelt, sie dient auch dazu, Wasserdampf aus den Ökosystemen in die Atmosphäre zu transportieren. Dieser Prozess wird als Evapotranspiration bezeichnet und setzt sich zusammen aus dem Wasserdampfverlust der Böden (Verdunstung) und dem Wasserdampfverlust der Pflanzen über die grünen Blätter (Transpiration). Eine hohe Evapotranspiration hat Abkühlung zur Folge.
Ob natürliche Waldökosysteme einen höheren Grad an Evapotranspiration als landwirtschaftlich genutzte Flächen oder Weidesysteme aufweisen, ist schwer zu sagen. Dies ist abhängig u. a. von dem Teil der Welt, in dem die Pflanzen wachsen, von der Wurzeltiefe der natürlichen im Vergleich zu der der kultivierten Vegetation und von der Bewässerung bzw. Nichtbewässerung der genutzten Fläche. In einigen Regionen ist das Auftreten von Dürreperioden mit biophysikalischen Landnutzungsänderungsprozessen in Verbindung gebracht worden. In anderen Regionen hingegen können Landnutzungsänderungen aber sogar zu lokaler Abkühlung führen.

Beeinflussung durch Spurengase

Landnutzungsänderungen stehen auch in Bezug zur Emission von Spurengasen, den Vorläufern bei der Bildung von Ozon in den unteren Bereichen der Atmosphäre. In den unteren Luftschichten ist Ozon ein die Klimaerwärmung verstärkendes Treibhausgas. Aerosole und ihre Vorläufer schließlich sind klimaverändernde Substanzen, die entweder zur Erwärmung oder zur Abkühlung führen. Im Gegensatz zu den Auswirkungen der Treibhausgasemissionen bleiben die Auswirkungen biophysikalischer Prozesse und reaktiver Spurengase und Aerosole daher meist beschränkt auf die Region, in der die Änderung erfolgt und tragen entweder zur Erwärmung oder Abkühlung bei.

Fazit

Sollen alle Auswirkungen vergangener, gegenwärtiger und zukünftiger Landnutzungsänderungen auf das Klima verstanden werden, so stellen die zahlreichen erörterten klimabezogenen Aspekte der Landnutzungsänderung und die Tatsache, dass sie über verschiedene Zeit- (Tage bis Jahrhunderte) und Raumskalen (regional bis global) wirken, eine große Herausforderung dar. Darüber hinaus werden Emissionen und biophysikalische Vorgänge nicht nur durch die Art und Weise der Landnutzung, sondern viel mehr vom Klimawandel selbst und dessen Rückkopplungen bestimmt: Wärmere Temperaturen fördern die zugrunde liegenden biologischen und chemischen Prozesse. Dies wiederum fördert Emissionen und biophysikalische Prozesse. Beeinflusst der Klimawandel jedoch umgekehrt auch die Landnutzung oder Landnutzungsänderung? Eindeutig ja: In allen Regionen ist das Klima eine wichtige Determinante für die Art der jeweils angebauten Nahrungsmittel oder Nutzhölzer. Es bestimmt die verfügbare Bewässerungsmenge und übt etwa durch Dürre, Frost und Überschwemmung einen Einfluss auf Erträge aus. Der Klimawandel beeinflusst Ernten somit sowohl lokal als auch regional in positiver oder negativer Weise und ist damit ein Faktor, der die Art der Kultivierung durch den Menschen mitbestimmt. Trotz dieser Tatsachen ist aber unser Klima nur ein Aspekt der menschlichen Entscheidungen, und auch andere Faktoren, wie der wirtschaftliche, soziale und politische Wandel, sind für das Verständnis der Landnutzungsänderung von fundamentaler Bedeutung.

Quellen

Wie Land- und Forstwirtschaft unser Klima verändern und wie wir damit umgehen (Broschüre zum EU-Projekt LUC4C)

Text, Fotos und Grafiken soweit nicht andere Lizenzen betroffen: eskp.de | CC BY 4.0
eskp.de | Earth System Knowledge Platform – die Wissensplattform des Forschungsbereichs Erde und Umwelt der Helmholtz-Gemeinschaft