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Auswirkungen des Klimawandels auf den Boden

Staatskanzlei

Auswirkungen des Klimawandels auf den Boden

Der Boden als natürliche und nicht erneuerbare Ressource bildet nicht nur die Lebensgrundlage für Menschen, Tiere und Pflanzen, sondern besitzt auch wichtige Regelungs- und Produktionsfunktionen. Welche Auswirkungen wird der Klimawandel auf den Boden haben? Wie werden diese wichtigen Regelungs- und Produktionsfunktionen beeinflusst? Wie ändern sich der Humusgehalt, der Bodenwasser- und Stoffhaushalt, und kommt es zu Bodengefährdungen?

Ackerfläche Ackerfläche (Vergrößerung öffnet sich im neuen Fenster)Ackerfläche © Herr Polte

Auswirkungen auf Bodenwasser und Stoffhaushalt

Veränderungen von Niederschlagsverhältnissen und Lufttemperatur wirken sich direkt auf den Wasser- und Stoffhaushalt des Bodens aus. Bodenwassergehalte, Verdunstungsraten und Grundwasserneubildung können sich ändern. Gleiches gilt für Stofftransporte wie die Verlagerung und Auswaschung von Nitrat. Aber auch Bodengefährdungen wie Verdichtung und Erosion können zunehmen.

Bodenwasserhaushalt

Das in den Boden eindringende Niederschlagswasser verbleibt entweder als Haftwasser im Boden (das Haftwasser wird auch als Bodenfeuchte bezeichnet) oder durchfließt ihn als Sickerwasser und bildet dann das Grund- oder Stauwasser. Die ständigen Veränderungen der Bodenwassergehalte im jahreszeitlichen Verlauf werden mit dem Bodenwasserhaushalt gekennzeichnet.

Mögliche Folgen des Klimawandels für den Bodenwasserhaushalt:

  • Veränderung des pflanzenverfügbaren Wassers (nutzbare Feldkapazität)
    Höhere Temperaturen, geringere Sommerniederschläge und mehr Hitze- und Trockenperioden werden die Wasserverfügbarkeit einschränken. Dann trifft ein erhöhter Wasserbedarf auf mangelnde Wassernachlieferung, wodurch das pflanzenverfügbare Bodenwasser rasch ausgeschöpft wird. Durch die Trockenstresssituation der Pflanzen kann es zu Ernteeinbußen oder einer veränderten Vegetation kommen. Problematisch ist dies besonders bei sandigen Böden, die nur über eine geringe nutzbare Feldkapazität verfügen und nur geringe Mengen der Winter- und Frühjahrsniederschläge bis in die Vegetationsperiode speichern können. In solchen Regionen wird der Bedarf an Bewässerung deutlich ansteigen.
  • Veränderung von Infiltration und Abflussverhalten (Stoffverlagerungen, Erosion, Schadverdichtung)
    Die prognostizierte Veränderung der Niederschlagsverhältnisse kann eine Abnahme der Sickerwassermengen im Sommer und eine Zunahme im Winter bewirken. Die Folge wären veränderte Stoffverlagerungsprozesse, die eine Nitratauswaschung verstärken könnten. Ebenso sind Änderungen im Abflussverhalten zu erwarten. Beispielsweise behindern sehr trockene Bodenzustände das Einsickern (Infiltration) von Niederschlagswasser in den Boden, was in Extremfällen zu Überschwemmungen und Bodenerosion führen kann. Auch die Zunahme der Winterniederschläge und winterlichen Starkregenereignissen kann bei fehlender schützender Vegetationsdecke zu erhöhter Bodenerosion führen.
    Durch den Anstieg der Winterniederschläge kann auch die Gefahr einer Bodenverdichtung zunehmen. Sehr feuchte Böden weisen eine geringere Stabilität der Bodenaggregate auf. Bei falscher Bodenbearbeitung kann es zu dauerhaften Bodenverdichtungen kommen. Dies betrifft insbesondere Böden, die aufgrund hoher Tongehalte, stauender Schichten oder hoch anstehendem Grundwasser zu Staunässe neigen.
    Infolge von Bodenverdichtungen wird das Einsickern von Niederschlagswasser gehemmt, und das Risiko von Erosion und Überschwemmungen steigt. Mit zunehmender Verdichtung verschlechtern sich auch die Standortbedingungen der Pflanzen, denn ein verdichteter Boden kann weniger Wasser speichern, ist schlecht belüftet und behindert die Durchwurzelung.
  • Veränderung von Grundwasserneubildung und Schwankungen der Grundwasserstände
    Grundwasserneubildung findet hauptsächlich im Winter statt, während das Niederschlagswasser im Sommer meist vollständig verdunstet bzw. durch die Vegetation verbraucht wird. Die Klimaänderungen lassen aufgrund der Niederschlagszunahme im Winter in weiten Teilen Schleswig-Holsteins auf höhere Grundwasserneubildungsraten schließen. In Regionen mit einer nur geringen Zunahme der Winterniederschläge, aber deutlicher Abnahme der Sommerniederschläge gilt hingegen auch ein Rückgang der Grundwasserneubildung als wahrscheinlich.

Stoffhaushalt

Der Stoffhaushalt des Bodens steht in einem engen Zusammenhang mit dem Bodenwasserhaushalt, da der größte Teil der Umwandlungs- und Transportprozesse an das Vorhandensein von Wasser gebunden ist. Die Auswirkungen des Klimawandels auf den Stoffhaushalt sind mit einer Vielzahl von direkt und indirekt beteiligten Faktoren sehr komplex.

Die folgende Abbildung gibt einen vereinfachten Überblick über mögliche Änderungen der Stoffgehalte im Boden.

Potentielle Wirkungen des Klimawandels auf den Stoffhaushalt Potentielle Wirkungen des Klimawandels auf den Stoffhaushalt (Vergrößerung öffnet sich im neuen Fenster)Potentielle Wirkungen des Klimawandels auf den Stoffhaushalt © Bayerische Landesanstalt für Landwirtschaft, 2007

Niederschlagsänderungen wirken sich direkt auf die Konzentration und Zusammensetzung der in der Bodenlösung vorhandenen Nähr- und Schadstoffe aus. Erhöhte Bodenwassergehalte führen bei zunehmenden Niederschlägen zu einer Verdünnung der Bodenlösung, abnehmende Niederschläge folglich zu einer Aufkonzentration der Bodenlösung. Kurzfristige Änderungen des pH-Wertes und der Nähr- und Schadstoffgehalte in der Bodenlösung sind die Folge.

Die Stoffgehalte im Boden ändern sich durch Veränderungen von Sicker- und Abflussraten. Oberflächenabfluss kann Stoffgehalte im Oberboden des Abtragungsortes herabsetzen, am Anreicherungsort oder in angrenzenden Oberflächengewässern jedoch erhöhen. Wenn Oberflächenabfluss und Bodenerosion aufgrund des Klimawandels ansteigen, erhöht sich damit auch die Gefährdung der Oberflächengewässer durch Einträge von Dünge- und Pflanzenschutzmitteln.

Veränderte Sickerwasserraten beeinflussen die Verlagerung gelöster Stoffe in tiefere Bodenhorizonte und in das Grundwasser. So können sich zum Beispiel Grundwasser belastende Verlagerungen von Nitrat bei abnehmenden Sickerwasserraten aufgrund von Niederschlagsabnahmen und stärkerer Verdunstung reduzieren. Weitaus wahrscheinlicher ist jedoch eine erhöhte Auswaschungsgefahr nicht genutzten Stickstoffs und anderer Nährstoffe infolge zunehmender Winterniederschläge. Dies gilt besonders für sandige Böden, die nur einen geringen Schutz gegenüber Stoffeinträgen aufweisen.

Mit veränderten Bodenwassergehalten ändert sich auch die Nährstoffaufnahme durch die Vegetation. Ist nicht genug Bodenwasser verfügbar, können natürliche oder durch Düngung künstlich hinzugeführte Nährstoffe nicht aufgenommen werden.
Zudem ist eine Veränderung der natürlichen Nährstoffzufuhr zu erwarten, da bei Temperaturanstieg durch den Abbau von Streu- und Humusvorräten mehr Nährstoffe freigesetzt werden. Diese stehen den Pflanzen zur Verfügung und können sich positiv auf das Pflanzenwachstum auswirken. Andererseits können diese Nährstoffe auch einer erhöhten Auswaschung bei ansteigenden Winterniederschlägen unterliegen.
Langfristig kann daraus eine Herabsetzung der natürlichen Bodenfruchtbarkeit mit sinkender Filter- und Pufferkapazität und zunehmender Versauerung der Böden resultieren. Besonders folgenreich kann der möglicherweise erhöhte Abbau der Humusvorräte sein.

Auswirkungen auf die organische Bodensubstanz

Die organische Bodensubstanz übt einen entscheidenden Einfluss auf zahlreiche wichtige Bodeneigenschaften und -funktionen aus. Durch den Klimawandel wird eine geänderte Humusdynamik erwartet, die sowohl durch Prozesse des Humusabbaus als auch des Humusaufbaus gekennzeichnet sein kann.

Die organische Bodensubstanz besteht aus der lebenden Bodensubstanz (pflanzliche Organismen wie Pilze, Flechten, Algen sowie tierische Organismen wie Regenwürmer, Milben) und den abgestorbenen und umgewandelten Tier- und Pflanzenresten (Humus). Die organische Bodensubstanz ist besonders wichtig für die Bodenfruchtbarkeit und hat einen entscheidenden begünstigenden Einfluss auf viele Bodeneigenschaften und -funktionen:

  • Speicherung und Umwandlung von Kohlenstoff und Nährstoffen (95% der Stickstoffvorräte, 90 % der Phosphorvorräte, 50% der Schwefelvorräte),
  • Filterung und Pufferung (pH-Pufferung, Bindung von Schwermetallen und anderen Schadstoffen),
  • Förderung der biologischen Aktivität (makro- und mikrobielle Umsetzungsprozesse wie Mineralisierung/Humusabbau und Humifizierung/Humusaufbau),
  • Verbesserung des Bodengefüges (Erhöhung von Aggregatstabilität, Infiltration, Luftdurchlässigkeit, Wasserspeicherung und nutzbarer Feldkapazität, Durchwurzelbarkeit und verbesserter Schutz vor Erosion und Schadverdichtung),
  • wichtiger klimarelevanter CO2-Speicher.

Der Humusgehalt im Boden ist abhängig von der Bodenart, dem Klima, dem Relief, von Grund- bzw. Stauwasserstand und von der Art und Weise der Bewirtschaftung. Steuernd wirken sowohl die Menge und Qualität der zugeführten organischen Substanz, vor allem der Pflanzenrückstände, wie auch die biologische Aktivität im Boden (Prozesse der Mineralisierung und Humifizierung durch die lebende organische Substanz). Langfristig gleich bleibende Einflussfaktoren begünstigen ein Gleichgewicht zwischen Humusabbau und Humusaufbau. Veränderungen der Einflussfaktoren führen dagegen zur Störung dieses Gleichgewichts.

Die Änderung des "Faktors Klima" wird weitläufig mit einem Rückgang der Bodenhumusgehalte in Verbindung gesetzt. Grundsätzlich führt eine Erhöhung der Temperatur zu einer Beschleunigung von biochemischen Prozessen. Somit steigt auch die Zersetzung- und Mineralisierungsleistung der Bodenorganismen, und Humusgehalte können langfristig abnehmen.

Aber auch eine Humusanreicherung als gegenläufiger Prozess ist möglich, denn Mineralisierung und Humusabbau können nur bei gemäßigter Bodenfeuchte stattfinden. Neben zu trockenen Bodenzuständen wirken auch zu feuchte, übersättigte Bodenverhältnisse hemmend auf Zersetzungsprozesse. So könnte dann sowohl die prognostizierte Zunahme der sommerlichen Trockenheit und der Winterniederschläge wie auch ein erhöhtes Pflanzenwachstum die Humusakkumulation im Boden begünstigen.

Im Zusammenhang mit den prognostizierten Klimaveränderungen sind gesteigerte Zersetzungsraten für Herbst, Winter und Frühjahr sehr wahrscheinlich. Hier würden erhöhte Temperaturen in den meisten Fällen mit ausreichenden Bodenwassergehalten zusammenfallen.
Ob und in welchem Maße der Klimawandel zu einem vermehrten Humusabbau oder zu einer Humusanreicherung führen kann, hängt im Wesentlichen davon ab, inwieweit der erwartete zusätzliche Eintrag an Biomasse erhöhte Abbauraten ausgleichen kann (siehe Abbildung). Welche dieser beiden gegenläufigen Tendenzen überwiegen wird, lässt sich nur schwer abschätzen. Zum einen sind nicht alle Prozesse des Humus- bzw. Kohlenstoffhaushaltes vollständig erforscht und zum anderen bestehen Unsicherheiten in der Klimamodellierung, insbesondere im Fall der Niederschlagsverhältnisse.

Veränderungen des Humusgehalts unter Einfluss des Klimawandels bei möglichen Änderungen von biologischer Aktivität und Pflanzenwachstum Veränderungen des Humusgehalts unter Einfluss des Klimawandels bei möglichen Änderungen von biologischer Aktivität und Pflanzenwachstum (Vergrößerung öffnet sich im neuen Fenster)Veränderungen des Humusgehalts unter Einfluss des Klimawandels bei möglichen Änderungen von biologischer Aktivität und Pflanzenwachstum © J. Böhm, 2008

Die Bodennutzung führt jedoch sehr wahrscheinlich wesentlich schneller zu Veränderungen des Bodens. Denn neben der möglichen Beeinflussung durch den Klimawandel ist der Humusgehalt grundsätzlich stark mit der Art und Weise der Bodennutzung verbunden. Eine intensive Landbewirtschaftung führt in vielen Fällen zu einer Abnahme der Humusgehalte im Boden. Eine schonende Bewirtschaftungsweise hingegen kann helfen, der Bodendegradation entgegenzuwirken.