Erschließung des Potenzials von Sauerstoff zur Untersuchung des terrestrischen Kohlenstoffkreislaufs
Die Untersuchung des Kohlenstoffkreislaufs auf unserem Planeten kann Aufschluss über den Gesundheitszustand der Ökosysteme geben. Das ist angesichts der großen Zwillingskrise aus Klimawandel und Rückgang der biologischen Vielfalt besonders wichtig. Sauerstoff (O2) ist durch die Photosynthese und die Atmung der Pflanzen eng mit Kohlendioxid (CO2) verbunden. Das macht ihn zu einer bisher ungenutzten Informationsquelle über Ökosysteme und den globalen Kohlenstoffkreislauf. Doch die Erfassung hochpräziser O2-Messungen auf der Ebene terrestrischer Ökosysteme ist im Vergleich zu CO2 technisch sehr anspruchsvoll, zum Teil auch, weil es in der Atmosphäre viel mehr O2 gibt. Man muss eine ähnlich genaue Messung vornehmen, aber in einem viel höheren Verhältnis. „Das ist so, als würde man mit einer Körperwaage überprüfen, ob man sich morgens den Bart rasiert hat oder nicht“, erklärt Alexander Knohl, Professor für Bioklimatologie an der Universität Göttingen und Projektkoordinator von OXYFLUX. Im Rahmen des vom Europäischer Forschungsrat finanzierten Projekts OXYFLUX entwickelten die Forschenden erfolgreich ein neuartiges O2-Messsystem mit speziell angefertigten Kammern zur Messung des Gasaustauschs von Ästen, Stämmen und der Bodenoberfläche sowie eine hochpräzise O2- und CO2-Analyseeinheit. „Damit konnten wir weltweit zum ersten Mal hochpräzise kontinuierliche Messungen des O2/CO2-Austauschverhältnisses vornehmen, und zwar gleichzeitig für verschiedene Komponenten eines Ökosystems über eine ganze Vegetationsperiode hinweg“, sagt Knohl.
Entwicklung eines innovativen O2-Analysators
Die neue O2-Analyseeinheit ist ein maßgeschneidertes System, das aus einem temperaturgeregelten mobilen Anhänger besteht. Dieser enthält den Analysator, eine Kalibriereinheit, Gasbehandlungseinheit und Lufttrocknungssysteme. „Wir haben unsere eigenen Gasaustauschkammern konstruiert und gebaut, um den Austausch von CO2 und O2 an der Bodenoberfläche sowie an den Stämmen und Ästen der Buchen zu messen“, so Knohl. Das Mehrkammersystem wurde am Waldstandort Leinefelde in Deutschland installiert, einem rund 140 Jahre alten Buchenreinbestand. Das System war vollständig automatisiert und wurde von einer speziell entwickelten Software gesteuert, die quasi kontinuierliche Messungen des CO2- und O2-Austauschs über eine gesamte Vegetationsperiode hinweg durchführte. Außerdem richtete das Team einen neuen Versuchsstandort auf einem landwirtschaftlichen Betrieb in der Nähe von Göttingen ein, um Schwankungen von O2, CO2 und Distickstoffmonoxid (N2O) zu messen.
Unausgewogene Strömungen aufgedeckt
Die wichtigste Neuerung von OXYFLUX war die Zusammenführung von Methoden aus zwei Wissenschaftsbereichen: die hochpräzisen O2-Messungen aus den Atmosphärenwissenschaften und die Gasaustauschmessungen aus den Ökosystemwissenschaften. Knohl betont: „Dies ist der engen Zusammenarbeit mit dem Forscher Andrew Manning und seinem Team von der University of East Anglia im Vereinigten Königreich, einem wirklich tollen Team von Mitarbeitenden und mir selbst zu verdanken!“ Das Team fand erhebliche Ungleichgewichte in den O2- und CO2-Flüssen verschiedener Ökosystemkomponenten sowie ganzer Ökosysteme. Das bedeutet zum Beispiel, dass die übliche Praxis, nur CO2 zu messen, möglicherweise zu erheblichen Verzerrungen bei der gemeldeten „Stammatmung“ von Bäumen führen kann.
Wissenschaftliche Gemeinschaften zusammenführen
Das Projekt regte auch die Entstehung einer Gemeinschaft für terrestrische O2-Strömungen an. Dazu wurde ein internationales Seminar in Göttingen veranstaltet, an dem Forschende aus Deutschland, Israel, den Niederlanden, dem Vereinigten Königreich und den Vereinigten Staaten teilnahmen. „OXYFLUX war nur der Anfang einer aufregenden neuen Forschungsagenda, die meine Gruppe in den nächsten zehn Jahren verfolgen wird“, so Knohl, der darauf hinweist, dass sie die Durchführbarkeit von hochpräzisen O2-Strömungsmessungen in Ökosystemstudien erfolgreich demonstriert haben. „Wir hoffen, dass wir mehr Fachkräfte der terrestrischen Ökologie und Atmosphäre dazu inspirieren können, sich gemeinsam mit O2 zu beschäftigen, um die empfindlichen Ökosysteme unseres Planeten besser zu verstehen“, fügt er hinzu.
Schlüsselbegriffe
OXYFLUX, Ökosystem, Kohlenstoffkreislauf, terrestrisch, Baum, Stamm, Äste, Atmosphäre, Sauerstoff, Messung
