Wenn Pflanzen Kohlenstoff aus der Atmosphäre einatmen und in ihren Blättern, Zweigen, Stämmen und Wurzeln speichern, helfen sie der Erde, ein Kohlenstoffgleichgewicht aufrechtzuerhalten – eine entscheidende Komponente für ein stabiles Klima.
Während diese holzige Biomasse einen der größten Pools von terrestrischem Kohlenstoff enthält, sind Veränderungen in der Größe der holzigen Biomasse über Jahrtausende kaum bekannt, wobei die meisten direkten Beobachtungen der Vegetationsbiomasse nicht mehr als ein paar Jahrzehnte umfassen. Da Bäume sehr langsam wachsen, führt dieser Datenmangel zu einer erheblichen Wissenslücke. In Ermangelung empirischer Daten treffen Wissenschaftler Annahmen, die zu Unsicherheiten über die langfristige Kohlenstoffsenke und Projektionen des zukünftigen Kohlenstoff-Klimasystems führen.
Eine neue Studie in der Zeitschrift veröffentlicht Wissenschaft am 23. Juni 2022 will diese Wissenslücke schließen. Unter der Leitung von Ann Raiho vom Earth System Science Interdisciplinary Centre (ESSIC) der University of Maryland rekonstruierte ein internationales Team von Wissenschaftlern das natürliche Tempo und Muster der Kohlenstoffspeicherung und zeichnete ein lebendiges Bild davon, wie sich Wälder über Jahrhunderte entwickelt haben. Die Ergebnisse haben das Potenzial, laufende Debatten darüber zu verändern, wie Landschaften verwaltet werden können, um die Kohlenstoffspeicherung zu maximieren und gleichzeitig die Erhaltungsziele zu erreichen.
Eine Visualisierung, die die Rekonstruktionen der Biomasse des Mittleren Westens in den letzten 10.000 Jahren animiert. In der oberen Grafik weisen Bereiche mit tieferem Grün auf Regionen mit einer höheren Biomassemenge hin. Die Balkendiagramme zeigen die sich ändernde Verteilung der Biomasse in Rasterzellen innerhalb jedes der drei subregionalen Cluster. Das Liniendiagramm zeigt, dass die Biomasse allmählich gewachsen ist. Bildnachweis: Ann Reiho/Universität Maryland
„Wir haben festgestellt, dass sich die Wälder im Mittleren Westen der USA in den letzten 10.000 Jahren ausdehnten und größer wurden“, sagte Raiho, Postdoktorand bei ESSIC. „Dies sagt uns, dass die prähistorische Grundlage für das Verständnis von Wäldern falsch war und dass es aus Sicht der Kohlenstoffbindung wichtig ist, Bäume zu erhalten, die größer werden und länger leben.“
Für die Studie entwickelte das Team ReFAB (Reconstructing Forest Aboveground Biomass), ein Bayes’sches Modell, das die oberirdische Holzbiomasse auf der Grundlage einer Zeitreihe fossiler Pollenansammlungen in Sedimenten schätzt. Sie verwendeten ReFAB, um die Veränderungen der Holzbiomasse in einem über 600.000 Kilometer großen Gebiet im oberen Mittleren Westen der USA in den letzten 10.000 Jahren statistisch zu rekonstruieren.
Die Forscher fanden heraus, dass sich die Holzbiomasse nach einem anfänglichen postglazialen Rückgang in den letzten 8.000 Jahren fast verdoppelt hat. Dieses Ergebnis unterscheidet sich wesentlich von früheren Rekonstruktionen der Waldbiomasse in Ostkanada, was auf Unterschiede zwischen den Waldarten zwischen den Regionen zurückzuführen sein könnte. Frühere Studien verwendeten auch einfachere Modelle, die Unsicherheiten in den Daten nicht berücksichtigten, und fanden Ergebnisse, die auf eine geringe oder keine Veränderung der Biomasse in den letzten 6.000 Jahren hindeuteten. ReFAB korrigiert diese Unsicherheiten – durch Berücksichtigung der zeitlichen Autokorrelation, der Unsicherheit bei der Sedimentdatierung und der Unsicherheit in der Beziehung zwischen oberirdischer Holzbiomasse und multivariaten Pollendaten – und ermöglicht es den Forschern, auf einen feineren Maßstab zu zoomen und Trends aufzudecken, die zuvor verborgen waren.
„Wir haben festgestellt, dass die Ökologie der Wälder für das Verständnis des Kohlenstoffkreislaufs wichtig ist“, sagte Raiho. „Die stetige Anhäufung von Kohlenstoff wurde durch zwei getrennte ökologische Reaktionen auf das sich regional verändernde Klima vorangetrieben: die Ausbreitung bewaldeter Biome und die Bevölkerungsausweitung von Baumarten mit hoher Biomasse in Wäldern.“
Die holzige Biomasse, die Jahrtausende brauchte, um sich anzusammeln, brauchte jedoch weniger als zwei Jahrhunderte, um zerstört zu werden. Holzeinschlag und Landwirtschaft im Industriezeitalter haben diese Kohlenstoffansammlung stark verringert. Die Forscher fanden heraus, dass der Rückgang der Holzbiomasse in der untersuchten Region in den letzten 10.000 Jahren mehr als zehnmal so schnell war wie die Veränderung der oberirdischen Holzbiomasse in jedem Jahrhundert.
Diese Entdeckung könnte die Art und Weise verändern, wie Wälder bewirtschaftet werden, um die Auswirkungen des Klimawandels abzumildern. Die Speicherung von Biomasse in der Region wurde durch die Bevölkerungsausweitung von Baumarten mit hoher Biomasse wie der Östlichen Hemlocktanne und der Amerikanischen Buche vorangetrieben. Nachdem diese Arten etabliert waren, wurden Wälder mit hoher Biomasse regional über Jahrtausende erhalten. Diese Rekonstruktion bestätigt die Argumente, dass Arten mit hoher Biomasse in alten Wäldern eine wichtige Rolle bei der Kohlenstoffspeicherung spielen und erhalten werden sollten.
„Waldbewirtschaftung sollte sich darauf konzentrieren, Populationen großer Bäume zu erhalten“, sagte Raiho. „Dies hat das Potenzial, die natürlichen Kohlenstoffbindungsprozesse nachzuahmen und letztendlich die Zeitskalen und das Ausmaß zu verlängern, in denen terrestrische Ökosysteme den Klimawandel weiterhin abfedern, indem sie als Kohlenstoffsenke fungieren.“
Das Team wird diese Arbeit mit der Global Ecosystem Dynamics Investigation (GEDI) der NASA vorantreiben, die den Schutz großer Bäume ermöglichen wird, indem hochauflösende Karten der 3D-Struktur von Wäldern auf der ganzen Welt bereitgestellt werden. GEDI wird das vorhandene Wissen über Größe, Struktur und Dichte von Biomasse erweitern. Mit dieser Fülle an Informationen können Forscher die Zukunft der Wälder besser vorhersagen.
Raiho und ihr Team planen, diese Rekonstruktionsdaten zu verwenden, um die Simulationsmodelle zu verbessern, die vom Weltklimarat verwendet werden, um besser zu verstehen, wie sich der Klimawandel auf die Erde und ihre Ökosysteme auswirken wird. Raihos Arbeit wird diese Simulationen und Vorhersagen verbessern, indem sie die Vegetationskomponente in den Modellen informiert.
„Diese Arbeit wäre nicht möglich ohne all die Menschen, die die fossilen Pollendaten gesammelt und gezählt haben“, sagte Raiho. „In den letzten Jahrzehnten waren es wahrscheinlich hundert Leute, die die gesamte Feldarbeit durchgeführt haben. Wir haben über 232 fossile Pollenkerne für diese Forschung verwendet. Tausende von Stunden sind in die Datensammlung geflossen. Wir haben die Neotoma-Datenbank verwendet, um auf diese wertvollen Daten zuzugreifen. “
An dieser Studie nahmen neben Raiho auch Forscher der University of Notre Dame, der University of California, Berkeley, der University of Calgary und des US Geological Survey teil.
AM Raiho et al, 8.000 Jahre Verdoppelung der Waldbiomasse im Mittleren Westen, angetrieben durch Prozesse im Bevölkerungs- und Biommaßstab, Wissenschaft (2022). DOI: 10.1126/science.abk3126. www.science.org/doi/10.1126/science.abk3126