SaMS – Soils as Methane Sinks

Methan (CH4) stellt aufgrund seines hohen Treibhausgaspotentials das zweitwichtigste Treibhausgas des anthropogen verursachten Klimawandels dar. Während Moore und vernässte Standorte wichtige natürliche CH4-Quellen darstellen, handelt es sich bei unvernässten Waldböden um die global bedeutendste terrestrische Senke für atmosphärisches CH4. Dadurch tragen Waldböden aktiv dazu bei, die Folgen des Klimawandels zu mindern. 

Wie steht es um die Methansenke Waldboden? Während kurzfristige Effekte von Umweltparametern wie Bodenfeuchte und -temperatur auf den mikrobiellen Methanabbau von Böden gut erforscht sind, so sind Effekte von klimawandelbedingten langfristigen Trends von Umweltparametern dagegen weitestgehend unbekannt. Neue wissenschaftliche Erkenntnisse lassen eine langfristige Abnahme dieser Klimaleistung vermuten, was auch einer Abnahme des Kohlenstoffspeichers im Wald entsprechen würde und damit ein dramatischer Verlust einer klimarelevanten Bodenfunktion. Weltweit existieren jedoch fast keine langfristigen Beobachtungen, welche eine eindeutige Einschätzung dieser Hypothesen ermöglichen.

Während im Fichtenbestand bereits seit 1998 die Bodenluft beprobt wird, kamen 2010 auch Messflächen in benachbarten Buchenbeständen hinzu, welche die Untersuchung des Baumarteneinflusses ermöglichen. An zwei Standorten gibt es zusätzliche langjährige Messreihen aus Kalkungsversuchen. Die Bodenart beschränkt sich auf vorrangig sandig-schluffige Böden, jedoch mit einem breiten Spektrum im Skelettgehalt. Die unterschiedlichen Höhenstufen bewirken außerdem große Unterschiede in der Jahresniederschlagssumme und der Jahresmitteltemperatur.

Zudem werden die Bestände unterschiedlich bewirtschaftet. Neben reinen Wirtschaftswäldern, erfolgen auch Messungen im Bannwald. Auf einigen Versuchsflächen kam es bedingt durch die Trockenheit der letzten Jahre und Borkenkäferbefall zur Entnahme von Bäumen, weshalb einige Flächen eine starke Auflichtung erfahren haben.

Die FVA Freiburg setzt zur Messung der Methanabnahme in Waldböden auf die für das langzeitliche Monitoring gut geeigneten Passivgassammler, in denen aus verschiedenen Bodenschichten und in Wiederholungen Bodenluft gesammelt und analysiert wird, wodurch mindestens im 4-wöchigen Intervall die Zusammensetzung der Waldbodenluft bekannt ist. Dieses Messverfahren ist liefert Einblicke in die Treibhausgasflüsse verschiedener Bodenschichten und ermöglicht die Messung des Methanabbaus über viele Jahrzehnte, ohne dabei den Waldboden negativ zu beeinflussen. Einziges Problem: Zur Bestimmung der absoluten Höhe der Methanflüsse sind Kammermessungen zur Kalibrierung notwendig.

Diese zusätzlichen Kammermessungen wurden im SaMS-Projekt 2021 und 2022 bei auf allen Flächen bei unterschiedlichen klimatischen Bedingungen durchgeführt. Dabei wird eine Haube auf den Boden aufgesetzt, und die Menge des von den Mikroben im darunterliegenden Waldboden abgebauten Methans, ist als Konzentrationsabfall direkt messbar. Durch den Vergleich der Methanflüsse beider Messmethoden, gelang es die bereits erhobenen Daten zu plausibilisieren und ein Bodengastransportmodell zu entwickeln, welches die Vorteile beider Methoden verbindet.  

Diese langjährigen Messungen der Bodengaskonzentrationen lassen eine Ableitung der CH4-Abnahme in unseren Waldböden zu. Unser Ziel ist es, im Rahmen des durch den Waldklimafond und die FNR geförderten Projektes ein Gastransportmodell zu entwickeln, anzupassen und zu evaluieren. Die Modellierung wird es ermöglichen, (1) die CH4-Senkenfunktion zu quantifizieren, (2) eine Trendanalyse durchzuführen und so einen möglichen langfristigen Funktionsverlust zu erkennen und (3) die möglichen Ursachen zu identifizieren. 

Beim direkten Vergleich der jährlichen Methansenkenleistung in Buchen- und Fichtenbeständen zeigen sich zudem signifikant höherer Methanabbauraten in den Waldböden der Buchenflächen. Fichtenstreu enthält Monoterpene, welche sich negativ auf die mikrobielle Aktivität auswirken, wodurch neben der Methankonsumption auch der Streuabbau reduziert ist.

Der im Jahresmittel wassergefüllte Porenraum (WFPS) nimmt mit 15 Prozent Einfluss auf den Methanabbau, gefolgt von der Jahresniederschlagssumme mit 8 Prozent. Der Bodenwassergehalt bestimmt damit nicht nur kurzzeitig den Abbau, sondern hat auch einen langfristigen Einfluss auf den Methanabbau. Nasse Jahre bzw. erhöhte Jahresniederschlagsummen hemmen den Gastransport, während in trockenen Jahren ein vermehrter Methanabbau stattfindet. Da bodenchemische Parameter bisher noch nicht in die Analyse der Einflussfaktoren integriert sind, ist noch abzuwarten, wie sich der standörtliche Einfluss weiter auffächern lässt.

Was steht noch aus

• Fehleranalyse nach endgültiger Optimierung der Zeitreihen
• Bildung von standörtlichen Mittelwerten und multivariate Analyse nicht nur mit Umweltparametern, sondern mit Bodenchemie- und Bestandeskenndaten.
• Zeitreihenanalyse: Identifikation von Einflussfaktoren auf unterschiedlichen Zeitskalen

Was wurde herrausgefunden

• Die Kombination mit Kammermessungen ermöglichte die Quantifizierung der Langzeitmessreihen.
• langzeitliche Trends der Methankonsumption sind zwar teilweise vorhanden, aber nicht eindeutig gerichtet.
• Beim Vergleich der Jahresmittelwerte zeigen sich bisher als größte langzeitliche Einflussfaktoren der Standort, die Baumart und der wassergefüllte Porenraum.
• In Buchenbeständen herrscht höhere Methankonsumption vor als in Fichtenbestände

• Abteilung Boden & Umwelt 
• Intensives Ökosystemmonitoring in Baden-Württemberg

VERÖFFENTLICHUNGEN

• Das SaMS Projekt im Astrein Jahresbuch 2023 (S.48)
• Vorstellung des Bodengasmonitoring und erste Ergebnisse
• Das Bodengastransportmodell ConFluxPro auf Github
• SWR Beitrag zum SaMS am Tag des Bodens
• Mehr Informationen zu den Forstlichen Intensiv-Monitoringflächen