In den Geowissenschaften wird als Kohlenstoffsenke (auch Kohlendioxidsenke oder CO2-Senke) ein Kohlenstoffreservoir bezeichnet, das – in geologischen Zeitmaßstäben betrachtet immer vorübergehend – mehr Kohlenstoff aufnimmt und speichert, als es abgibt. Oder: Oft werden auch die Vorgänge oder Mechanismen, die den Fluss von Kohlenstoff in das betrachtete Reservoir bewirken, als Kohlenstoffsenken bezeichnet. Kohlenstoffsenken sind Teil des Kohlenstoffkreislaufs und haben seit Urzeiten eine große Bedeutung für das Erdklima.
Im 21. Jahrhundert erlangen jene Kohlenstoffsenken besondere Aufmerksamkeit, die das Treibhausgas Kohlendioxid (CO2) in für Menschen relevanten Zeiträumen aus der Atmosphäre aufnehmen können. Sie schwächen damit den durch menschliche Treibhausgasemissionen verstärkten Treibhauseffekt ab. Dieser Vorgang wird auch als Negativemission bezeichnet. Häufig werden durch menschliche Einflüsse aus bisherigen Kohlenstoffsenken wieder Kohlenstoffquellen, die in der Summe mehr Kohlendioxid abgeben, als sie aufnehmen. Kohlenstoffsenken und Kohlenstoffquellen spielen im Zusammenhang mit der globalen Erwärmung und deren absehbaren Folgen eine wichtige Rolle.
Kohlenstoffsenken der terrestrischen Biosphäre Terrestrische Ökosysteme enthalten Kohlenstoff zum größten Teil in organischen Verbindungen sowohl in ihrer lebenden Biomasse als auch im Humus ihrer Böden. Erhöhen sich in einem Ökosystem die Kohlenstoffvorräte (also die Summe der Kohlenstoffvorräte in Biomasse und Boden), so ist dieses Ökosystem eine Kohlenstoffsenke.
Mittels Photosynthese nehmen Pflanzen (und in geringerer Menge auch einige Bakterienarten) Kohlenstoffdioxid aus der Atmosphäre auf und bauen den Kohlenstoff in organische Stoffe ein. Ein Teil dieser organischen Stoffe dient Tieren und Mikroorganismen als Nahrung. Organische Stoffe, die nicht mehr Bestandteile von Lebewesen sind, werden als Streu dem Boden zugeführt und bilden dort den Humus. Zur Streu gehören neben toten Lebewesen z. B. auch heruntergefallene Blätter und Nadeln, Wurzelausscheidungen (Exsudate) und Exkremente von Tieren. Der Großteil der Streu wird nach kurzer Zeit von Bakterien und Pilzen mineralisiert, wobei der Kohlenstoff aus den organischen Verbindungen wieder in Kohlenstoffdioxid überführt und in die Atmosphäre abgegeben wird. Ein kleiner Teil kann jedoch unter geeigneten Bedingungen zusätzlich in den Boden eingelagert werden. Auch Feuer wandelt organisch gebundenen Kohlenstoff in Kohlenstoffdioxid um. Soll ein Ökosystem als Kohlenstoffsenke dienen, so muss man zwei Ziele verfolgen: mehr Biomasse und mehr Humus (mehr Streu, weniger Mineralisierung).
Die Form der Landnutzung hat einen erheblichen Einfluss auf die Speicherung von Kohlenstoff im Boden. Mit einer ökologischen Landwirtschaft können die Kohlenstoffeinträge in die Böden erhöht werden, da im Vergleich zur konventionellen mehr Wurzelbiomasse gebildet werden kann. Wie beiliegendes Diagramm zeigt, ist im Boden weltweit mehr als doppelt so viel Kohlenstoff gespeichert wie in der lebenden Biomasse, wobei dieses Diagramm für die Böden nur die Kohlenstoffvorräte des obersten Meters angibt. mini|hochkant=1.1|Diagramm des Kohlenstoffkreislaufs. Die schwarzen Zahlen geben an, wie viele Milliarden Tonnen Kohlenstoff (Gt C) in den verschiedenen Reservoiren vorhanden sind. Die blauen Zahlen zeigen an, wie viel Kohlenstoff zwischen den einzelnen Speichern pro Jahr ausgetauscht wird.
Im Kohlenstoffkreislauf wird Kohlenstoff zwischen Kohlenstoffsenken und Kohlenstoffquellen ausgetauscht. Die wichtigste Kohlenstoffquelle ist derzeit der stetig wachsende Verbrauch fossiler Brennstoffe wie Erdöl, Erdgas oder Kohle. Außerdem wird durch die oben genannten Prozesse Kohlenstoff in Ökosystemen eingelagert oder aus ihnen freigesetzt.
Wälder Wälder absorbieren weltweit jährlich 0,55 Gigatonnen und sind somit die größte terrestrische Senke für Kohlenstoff. Die Gesamtmasse der global in Waldökosystemen gespeicherten Kohlenstoffmenge wird mit 300 Gigatonnen im organischen Anteil des Mineralbodens, 295 Gigatonnen in der lebenden Biomasse und 68 Gigatonnen im Totholz und in der Streuschicht angenommen. In den borealen Nadelwäldern entfällt fast die Hälfte auf das unterirdische Pilzgeflecht.Ett hemligt liv. In: Sveriges Natur. Nr. 4, 2020, S. 24–28 (schwedisch). Die Speicherleistung der Wälder nimmt jedoch ab. Ursachen sind Übernutzung durch thermische Verwertung sowie die Klimaveränderung. Sie sorgt für Trockenstress, Schädlingsbefall und erhöhte Gefahr für die Ausbreitung von Waldbränden. Es stellt sich die Frage, welche Art der Bewirtschaftung eine optimale Speicherleistung gewährleistet. Untersuchungen ergaben, dass der Kohlenstoff-Pool in Urwäldern wesentlich höher ist als in Wirtschaftswäldern (347 tC/ha gegenüber 272 tC/ha). Zurückhaltung bei der Holzernte erscheint daher die kurzfristig erfolgreichste Maßnahme zur Steigerung der Kohlenstoffspeicherleistung der Wälder zu sein.
Etwa ein Drittel der menschengemachten Kohlendioxidemissionen ist auf die Entwaldung der letzten 150 Jahre zurückzuführen. Im Umkehrschluss können Aufforstungen sehr klimawirksam sein. Dies trifft vor allem dann zu, wenn großflächige Aufforstung im Gegenzug mit einem Rückgang der landwirtschaftlich genutzten Flächen einhergeht.
Die Fähigkeit von Aufforstungsflächen, Kohlenstoff zu speichern, hängt sehr stark von Faktoren wie Feuchte und Sonneneinstrahlung ab. In den Tropen ist eine Speicherleistung von bis 27 Tonnen Kohlenstoff pro Jahr und Hektar (t/(ha·a)) möglich. In höheren Breiten ist die Speicherleistung entsprechend niedriger. Für Deutschland sind Werte von 2,8 t/(ha·a) für 20-jährige Kulturen und 6,4 t/(ha·a) für 60-jährige Kulturen zu erwarten. Bei Neuanlagen vergehen etliche Jahre, bis in der Summe eine CO2-Speicherung stattfindet. Aufforstungen auf vorbestehendem Grünland führen in Einzelfällen zu keiner Senkenwirkung, wenn hohe, im Boden gespeicherte Kohlenstoffvorräte durch Aufforstung mobilisiert und freigesetzt werden, die durch den Zuwachs an Biomasse nicht ausgeglichen werden. Ein Beispiel in Kanada ergab eine negative CO2-Bilanz nach 20 Jahren, nach 70 Jahren war sie positiv. Hier kamen die Faktoren der relativ niedrigen Speicherleistung aufgrund der hohen nördlichen Breite und der Aufforstung auf Grünland zusammen.
Folgende Faktoren führen bei Aufforstungen zu einer positiven CO2-Bilanz:
Verzicht auf intensive Bodenbearbeitung, da diese den Umsatz von vorhandenem organischen Material fördert. Bei der Aufforstung von Ackerflächen ist der Effekt als Kohlenstoffsenke höher als bei der Aufforstung von Grünlandflächen. Bodendrainagen führen zu einer erhöhten Freisetzung von CO2.
Es wird angenommen, dass äquatornahe Wälder eher in der Lage sind, der Atmosphäre CO2 zu entziehen, während Wälder der höheren Breiten in der Summe möglicherweise eher CO2 abgeben. Darüber hinaus haben boreale Nadelwälder einen geringeren Albedo-Effekt als schneebedeckte waldfreie Flächen. Die tropischen Regenwälder galten bislang als besonders große Kohlenstoffsenken. Dieser Effekt scheint sich jedoch nach einer 2020 veröffentlichten Studie als Folge der Erderwärmung abzuschwächen beziehungsweise umzukehren. Eine Studie aus dem März 2020 von ca. 100 Institutionen über einen Zeitraum von 30 Jahren zeigt, dass die Fähigkeit tropischer Wälder, CO2 zu absorbieren, aufgrund von Klimawandel und Entwaldung schwindet. Wissenschaftler projizieren in der Studie mittels Daten und Modellen einen langfristigen Rückgang der afrikanischen CO2-Senke um 14 % bis 2030. Demnach entwickelt sich der Amazonas-Regenwald von einer CO2-Senke zu einer CO2-Quelle bis Mitte der 2030er Jahre. Ähnliche Entwicklungen wurden schon 2020 bei brasilianischen saisonalen Wäldern beobachtet. In 32 seit 1987 beobachteten Waldflächen sank die Kohlendioxid-Absorption in diesem Zeitraum um 2,6 %, während die Abgabe von CO2 um 3,4 % anstieg.
Wissenschaftliche Untersuchungen mit CO2-gedüngten Wäldern deuten darauf hin, dass diese zusätzliches CO2 über die Bodenatmung wieder abgeben.A. S. Allen, J. A. Andrews, A. C. Finzi, R. Matamala, D. D. Richter, W. H. Schlesinger: Effects of Free Air CO2-Enrichment (FACE) on Belowground Processes in a PINUS TAEDA Forest. In: Ecological Applications. Band 10, Nr. 2, 1999, S. 437–448, Abstract .Christian Körner: Waldbäume in einer CO2-reichen Welt (PDF; 39 kB) Ein Freilandexperiment der Universität Basel und des Paul Scherrer Instituts stellte bei den untersuchten Bäumen trotz der CO2-Düngung keinerlei Wachstumsförderung fest.
Neuere Forschungsarbeiten legen zu dem nahe, dass Waldflächen und Bäume als Senke von Methan (CH4) dienen können, was zunächst nur als Eigenschaft von Böden nachgewiesen war.
Bundeswaldinventur 2022 In der vierten Bundeswaldinventur 2022 wurde festgestellt, dass in deutschen Wäldern 2.200 Millionen Tonnen Kohlenstoff gespeichert sind, wenn man lebende Biomasse, Totholz und Kohlenstoff im Waldboden zusammenrechnet. Dieser Kohlenstoffvorrat ist im Zeitraum von 2017 bis 2022 um 3 % zurückgegangen. Der Wald ist also von der Kohlenstoffsenke zur Kohlenstoffquelle geworden. Begründet wird dies mit dem Verlust lebender Biomasse durch Kalamitäten wie Sturm, Trockenheit, Schadinsekten oder Waldbrand.
Moore Weltweit beherbergen Moore 900 Gigatonnen Kohlenstoff. Sie binden Kohlenstoffdioxid, solange sie wachsen.L. Bergmann, M. Drösler: Die Bedeutung von Mooren als CO2-Senken. 2009. Noch in diesem Jahrhundert könnten sie – durch weitere Abtorfung oder Trockenlegung, Absterben der Torfmoose durch die Erwärmung sowie Brände – von einer Kohlenstoffsenke zu einer Kohlenstoffquelle werden. Die Datenlage ist allerdings noch sehr unsicher.
Bewirtschaftungsformen zur Rekultivierung und Erhalt von Mooren als Kohlenstoffsenken werden als Paludikultur beschrieben.
Grasland Grasland wie Steppen und Savannen haben ein hohes Potential als Kohlenstoffsenke. Wissenschaftler der Universität Lund stellten fest, dass durch ihre Photosyntheseleistung etwa ein Drittel der jährlichen anthropogenen Kohlenstoffdioxidemissionen gebunden wird.Viktiga savanner. In: Sveriges Natur. Nr. 106–415, Mitgliedszeitschrift des schwedischen Naturschutzvereins, Stockholm, September 2015, , S. 16. In Savannen gibt es viele Feuer, die großteils vom Menschen verursacht sind. Das durch Mineralisierung oder Feuer wieder in die Atmosphäre abgegebene Kohlenstoffdioxid reduziert die Wirkung als Kohlenstoffspeicher. Böden unter Dauergrünland in Deutschland speichern in den oberen 90 cm 181 Tonnen Kohlenstoff pro Hektar, deutlich mehr als Ackerland mit durchschnittlich 95 tC/ha. Forschungsergebnisse von 2021 deuten darauf hin, dass Grasland in den kommenden Jahrzehnten unerwartet große Mengen an Kohlenstoff aufnehmen könnte. In einem Szenario, in dem sich der CO2-Gehalt in der Atmosphäre auf das Doppelte des vorindustriellen Niveaus erhöht, schätzen die Forscher, dass die Kohlenstoffaufnahme in Graslandböden um 8 Prozent zunehmen wird, während die Kohlenstoffaufnahme in Waldböden ungefähr gleich bleibt. Oberirdisch würde hingegen mehr CO2 im Wald als im Grasland gespeichert. Bei der Anpflanzung von Bäumen in Grasland und Savannen-Ökosystemen sollten solche Szenarien Berücksichtigung finden.
Begrenzung der CO2-Aufnahme durch Nährstoffmangel Enthält der Boden nicht genügend Nährstoffe, wachsen die Pflanzen langsamer. Sie können dann auch nicht so viel CO2 aufnehmen. Es liegen bereits Berechnungsmodelle vor, die diesen Zusammenhang für Stickstoff und Phosphor berücksichtigen. Langfristig ist besonders mit Problemen bei der Phosphorversorgung zu rechnen.
Kohlenstoffsenken in aquatischen Systemen