Kohlenstoffsenke

Grundidee und Bedeutung

Eine Kohlenstoffsenke, auch Kohlendioxid- oder CO_{2}-Senke, ist in den Geowissenschaften ein Kohlenstoffreservoir, das – auf geologischen Zeitskalen stets nur vorübergehend – mehr Kohlenstoff aufnimmt und speichert, als es abgibt. Auch die Vorgänge, die Kohlenstoff in ein solches Reservoir transportieren, werden oft Kohlenstoffsenken genannt.

Sie sind Teil des Kohlenstoffkreislaufs und beeinflussen seit Urzeiten das Erdklima. Besonders wichtig sind im 21. Jahrhundert Senken, die CO_{2} in für Menschen relevanten Zeiträumen aus der Atmosphäre aufnehmen. Sie schwächen den durch menschliche Treibhausgasemissionen verstärkten Treibhauseffekt ab; diese Aufnahme heißt auch Negativemission. Durch menschliche Einflüsse können bisherige Senken jedoch zu Kohlenstoffquellen werden, die insgesamt mehr CO_{2} abgeben als aufnehmen. Die wichtigste heutige Kohlenstoffquelle ist der wachsende Verbrauch fossiler Brennstoffe wie Erdöl, Erdgas und Kohle.

Landökosysteme und ihre Speicherung

In terrestrischen Ökosystemen, also an Land, ist Kohlenstoff vor allem in organischen Verbindungen der lebenden Biomasse und im Humus des Bodens gespeichert. Ein Ökosystem ist eine Kohlenstoffsenke, wenn seine gesamten Kohlenstoffvorräte in Biomasse und Boden zunehmen.

Pflanzen und in geringerem Maß einige Bakterien nehmen durch Photosynthese CO_{2} auf und bauen den Kohlenstoff in organische Stoffe ein. Tiere und Mikroorganismen nutzen einen Teil davon als Nahrung. Abgestorbene Lebewesen, Blätter, Nadeln, Wurzelausscheidungen und Exkremente gelangen als Streu in den Boden und können dort Humus bilden. Bakterien und Pilze mineralisieren jedoch den größten Teil der Streu rasch: Dabei wird der Kohlenstoff wieder zu CO_{2} und in die Atmosphäre abgegeben. Feuer setzt ebenfalls organisch gebundenen Kohlenstoff als CO_{2} frei.

Damit ein Ökosystem als Senke wirkt, müssen Biomasse und Humus zunehmen: mehr Streu soll eingetragen und weniger mineralisiert werden. Die Landnutzung beeinflusst die Bodenspeicherung stark. Ökologische Landwirtschaft kann gegenüber konventioneller Landwirtschaft höhere Kohlenstoffeinträge ermöglichen, weil mehr Wurzelbiomasse entstehen kann. Weltweit ist im Boden mehr als doppelt so viel Kohlenstoff gespeichert wie in lebender Biomasse; diese Angabe bezieht sich bei Böden auf den obersten Meter.

Wälder und Aufforstung

Wälder absorbieren weltweit jährlich 0,55 Gigatonnen Kohlenstoff und sind damit die größte terrestrische Kohlenstoffsenke. In Waldökosystemen werden schätzungsweise 300 Gigatonnen im organischen Anteil des Mineralbodens, 295 Gigatonnen in lebender Biomasse sowie 68 Gigatonnen in Totholz und Streuschicht gespeichert. In borealen Nadelwäldern entfällt fast die Hälfte auf das unterirdische Pilzgeflecht.

Die Speicherleistung nimmt ab, unter anderem durch thermische Verwertung, Trockenstress, Schädlingsbefall und Waldbrände. Urwälder besitzen einen deutlich größeren Kohlenstoff-Pool als Wirtschaftswälder: 347 tC/ha gegenüber 272 tC/ha. Daher gilt Zurückhaltung bei der Holzernte kurzfristig als die erfolgreichste Maßnahme, die Speicherleistung zu erhöhen. Etwa ein Drittel der menschengemachten CO_{2}-Emissionen wird der Entwaldung der vergangenen 150 Jahre zugeschrieben. Aufforstungen können deshalb klimawirksam sein, besonders wenn dadurch landwirtschaftlich genutzte Flächen zurückgehen.

Wie viel Aufforstung speichert, hängt etwa von Feuchte und Sonneneinstrahlung ab. In den Tropen sind bis zu 27 t/(ha·a) möglich; für Deutschland werden 2,8 t/(ha·a) bei 20-jährigen und 6,4 t/(ha·a) bei 60-jährigen Kulturen erwartet. Eine positive Bilanz entsteht erst nach Jahren. Aufforstung auf Grünland kann zunächst oder im Einzelfall ganz ohne Senkenwirkung bleiben, wenn Bodenkohlenstoff mobilisiert wird. In einem kanadischen Beispiel war die CO_{2}-Bilanz nach 20 Jahren negativ, nach 70 Jahren positiv. Günstig sind wenig intensive Bodenbearbeitung, Aufforstung von Acker- statt Grünland und der Verzicht auf Bodendrainagen.

Studien beschreiben eine sinkende Aufnahmefähigkeit tropischer Wälder durch Klimawandel und Entwaldung. Eine Studie von etwa 100 Institutionen projizierte für die afrikanische CO_{2}-Senke bis 2030 einen Rückgang um 14 %; der Amazonas-Regenwald könnte bis Mitte der 2030er Jahre von einer Senke zu einer Quelle werden. CO_{2}-Düngung führte in einem Freilandexperiment bei den untersuchten Bäumen zu keiner Wachstumsförderung. Waldflächen und Bäume können außerdem eine Senke für Methan (CH_{4}) sein.

Deutsche Wälder, Moore und Grasland

Die vierte Bundeswaldinventur 2022 ermittelte für deutsche Wälder insgesamt 2.200 Millionen Tonnen Kohlenstoff in lebender Biomasse, Totholz und Waldboden. Von 2017 bis 2022 sank dieser Vorrat um 3 %. Der Wald wurde damit von einer Kohlenstoffsenke zu einer Kohlenstoffquelle. Als Ursache werden Verluste lebender Biomasse durch Kalamitäten genannt, beispielsweise Sturm, Trockenheit, Schadinsekten und Waldbrand.

Moore enthalten weltweit 900 Gigatonnen Kohlenstoff und binden CO_{2}, solange sie wachsen. Abtorfung, Trockenlegung, das Absterben von Torfmoosen infolge der Erwärmung und Brände könnten sie noch in diesem Jahrhundert zu Quellen machen; die Datenlage ist dabei sehr unsicher. Maßnahmen zur Rekultivierung und zum Erhalt von Mooren als Senken heißen Paludikultur.

Auch Grasland wie Steppen und Savannen besitzt ein hohes Senkenpotenzial. Nach Forschern der Universität Lund bindet seine Photosynthese etwa ein Drittel der jährlichen anthropogenen CO_{2}-Emissionen. Mineralisierung und die in Savannen häufigen, meist menschengemachten Feuer mindern diese Wirkung. Dauergrünland in Deutschland speichert in den oberen 90 cm durchschnittlich 181 Tonnen Kohlenstoff pro Hektar, Ackerland dagegen 95 tC/ha. Forschung von 2021 deutet darauf hin, dass sich bei einer Verdopplung des atmosphärischen CO_{2}-Gehalts gegenüber dem vorindustriellen Niveau die Aufnahme in Graslandböden um 8 % erhöhen könnte, während sie in Waldböden ungefähr gleich bleibt. Oberirdisch würde mehr CO_{2} im Wald gespeichert. Für die Anpflanzung von Bäumen in Grasland und Savannen sollen diese Szenarien berücksichtigt werden.

Nährstoffmangel begrenzt die Aufnahme: Fehlen im Boden Nährstoffe, wachsen Pflanzen langsamer und nehmen weniger CO_{2} auf. Modelle berücksichtigen dies bereits für Stickstoff und Phosphor; langfristig wird besonders die Phosphorversorgung als problematisch angesehen.

Ozeane und weitere aquatische Speicher

Die Weltmeere nahmen von 1994 bis 2007 insgesamt 34 Gigatonnen menschengemachten Kohlenstoff auf. Das entspricht rund 31 % der gesamten menschengemachten CO_{2}-Produktion dieses Zeitraums. Mit steigender atmosphärischer CO_{2}-Konzentration stieg die anteilige Aufnahme in den vergangenen 200 Jahren; eine Sättigung mit verminderter Aufnahme ist derzeit nicht festzustellen.

Die Aufnahme unterscheidet sich regional und hängt davon ab, wie Oberflächenwasser mit tieferen Wasserschichten ausgetauscht wird. Rund 40 % erfolgen im Südpolarmeer. Die Thermohaline Zirkulation transportiert CO_{2} ins Tiefenwasser, ist aber zugleich der größte Unsicherheitsfaktor für Vorhersagen und ein klassisches Kippelement des Erdklimasystems. Die Speicherung versauert das Meerwasser; der Effekt ist bis 3.000 m Tiefe nachweisbar und schadet verschiedenen Ökosystemen.

Wichtige natürliche aquatische Speicher sind küstennahe Gebiete mit Seegraswiesen, Salzwiesen, Algenwäldern und Mangrovenwäldern. Ein Teil ihres organischen Materials sinkt in größere Tiefen und wird dort langfristig als kohlenstoffhaltiges Sediment gespeichert. In Europa soll ihr Erhaltungszustand verbessert werden; in Deutschland untersucht das Bundesamt für Naturschutz die Speicherfähigkeit von Nord- und Ostsee.

Gesteinsspeicher und politische Ziele

Über geologische Zeiträume ist die Lithosphäre der wichtigste Kohlenstoffspeicher: Sie enthält 99,95 % des auf der Erde vorkommenden Kohlenstoffs, überwiegend als Carbonat wie Kalk. Karbonatgestein kann auch innerhalb von Monaten oder Jahren entstehen, etwa als Beachrock an warmen Küsten. Endorheische, also abflusslose Gewässer in Trockengebieten mit hoher Verdunstung, können Kohlenstoff in mineralischen Verbindungen langfristig binden. Einer Hochrechnung von 2017 zufolge werden so weltweit jährlich etwa 152 Millionen Tonnen Kohlenstoff dem Kreislauf entzogen.

Durch Vulkanismus und Ozeanbodenspreizung kann gebundener Kohlenstoff wieder freigesetzt werden. Bei Subduktion werden Karbonatgesteine in die Tiefe transportiert und aufgeschmolzen; freies CO_{2} gelangt danach in die Atmosphäre. Vor 56 Millionen Jahren führte dieser Prozess über 25.000 Jahre zu einem Anstieg der globalen Durchschnittstemperatur um 5 Grad. Isotopenuntersuchungen zeigen jedoch, dass sein Beitrag zur heutigen Klimaerwärmung nur sehr gering ist.

Politische Institutionen fördern natürliche und technische Senken, unter anderem die Vereinten Nationen und die Europäische Union im Europäischen Klimagesetz. Deutschland legte sich im Klimaschutzgesetz vom 12. Dezember 2019 und späteren Aktualisierungen auf Treibhausgasneutralität bis 2045 fest. Das Gesetz sieht vor, natürliche Senken zu stärken, Landnutzung schrittweise zu verändern und Ziele für technische Senken festzulegen. Der dort meist verwendete Begriff „Senke“ ist weiter als „Kohlenstoffsenke“, da er auch nicht kohlenstoffhaltige Treibhausgase wie Lachgas umfasst.