Karst-Stauseen speichern Kohlenstoff langfristig besonders effizient

Die Kohlenstoff-Bestattungsraten von Stauseen sind weltweit erfasst worden. Die Berechnung ist unkompliziert: Man misst, was sich im Sediment ablagert, ermittelt die Akkumulationsgeschwindigkeit und gibt den Wert an.

Für die meisten Forschenden erzählt diese Kennzahl die ganze Geschichte. Sie zeigt jedoch nicht, ob der abgelagerte Kohlenstoff tatsächlich dauerhaft gebunden bleibt.

Forschende untersuchten ein Jahr lang intensiv einen Kalkstein-Stausee im Südwesten Chinas. Ihre Ergebnisse legen nahe, dass herkömmliche Bilanzmethoden den entscheidenden Aspekt bislang übersehen haben.

Der Stausee hinter den Ergebnissen

Die Erkenntnisse stammen aus dem Songbaishan-Stausee, einem mittelgroßen Wasserbauprojekt in der Provinz Guizhou im Südwesten Chinas. Er wurde 1987 an einem Nebenfluss des Wujiang errichtet und liegt in einem typischen Kalksteinbecken.

Ein Team der Guizhou University (GZU) entnahm über ein Jahr hinweg Wasserproben und untersuchte die Sedimente. Es wollte ermitteln, woher der abgelagerte Kohlenstoff stammt und vor allem, ob er dort dauerhaft erhalten bleibt.

Unter der Leitung von Professor Wanfa Wang verfolgten die Forschenden den Kohlenstoff auf seinem gesamten Weg – vom gelösten Gas im Wasser bis in die dunklen Schichten am Grund des Stausees. Die Ergebnisse helfen zu verstehen, weshalb Kalkstein-Stauseen im Verhältnis zu ihrer Größe besonders wirksam sind.

Stauseen weltweit lagern Kohlenstoff in ihren Sedimenten ein. Einer häufig zitierten globalen Studie zufolge enthalten sie etwa 40 Prozent des gesamten Kohlenstoffs, der in den Seen und Stauseen der Erde gespeichert ist.

Wie Kalkstein Kohlenstoff einträgt

Der Schlüssel liegt im Gestein. Karstlandschaften entstehen, wenn leicht saures Regenwasser Kalkstein langsam auflöst und dabei die für diese Gebiete typischen Dolinen und Höhlen formt. Durch diesen Lösungsprozess wird das Wasser kohlenstoffreich.

Dieses kohlenstoffreiche Wasser gelangt in den Stausee und speist die sogenannte biologische Kohlenstoffpumpe.

Winzige frei schwebende Pflanzen nehmen den gelösten Kohlenstoff während der Photosynthese auf und bauen ihn in Biomasse um. Nach ihrem Absterben sinkt der Kohlenstoff ab.

In den wärmeren Monaten schichtet sich das Wasser des Stausees: An der sonnigen Oberfläche liegt eine wärmere Wasserschicht über den kühleren Tiefen.

Die ruhige, helle obere Schicht wird zu einem Nährboden für Algenblüten. Dadurch läuft die biologische Kohlenstoffpumpe auf Hochtouren und entzieht dem Wasser gelösten Kohlenstoff.

Kohlenstoff gelangt in den Schlamm

Das Team quantifizierte diesen Effekt. Rund zwei Drittel des organischen Kohlenstoffs im Sediment entstanden im Stausee selbst und wurden nicht mit Bodenmaterial und Pflanzen aus dem Oberlauf eingetragen.

Diese interne Quelle führte zu einer Bestattungsrate von fast 90 Gramm Kohlenstoff je Quadratmeter und Jahr – deutlich mehr als viele gewöhnliche Stauseen ohne Kalksteineinfluss erreichen. Auch der Damm selbst trägt zu diesem Vorgang bei.

Laut einer Analyse sind inzwischen mehr als die Hälfte der großen Flüsse der Welt durch Dämme unterbrochen. Das aufgestaute Wasser verschafft dem Kohlenstoff Zeit, sich abzusetzen, statt rasch ins Meer transportiert zu werden.

Doch die Menge war nie der überraschende Teil. Dass von Kalkstein gespeiste Stauseen besonders produktiv sind, war Forschenden bereits bekannt.

Ungeklärt war dagegen, ob der abgelagerte Kohlenstoff langfristig erhalten bleibt oder von Mikroben zersetzt und wieder in die Atmosphäre abgegeben wird.

Das Geheimnis der langfristigen Speicherung

An diesem Punkt wird die Studie besonders bedeutsam. Die Forschenden sortierten den eingelagerten Kohlenstoff danach, wie leicht er abgebaut werden kann.

Knapp 60 Prozent entfielen auf die widerstandsfähigere Fraktion, die weniger anfällig für bakterielle Zersetzung ist.

Dieses Ergebnis ist bemerkenswert. Die biologische Kohlenstoffpumpe erzeugt vor allem empfindlichen, leicht abbaubaren Kohlenstoff, und ein großer Teil davon wird zersetzt, bevor er den Grund erreicht.

Das Material, das überlebt und sich ansammelt, besteht jedoch überwiegend aus der langlebigeren Form.

Wangs Team identifizierte einen wahrscheinlichen Mechanismus: Während des Absinkens verbrauchen Mikroben zunächst den leichter abbaubaren Kohlenstoff.

Der geringere Sauerstoffgehalt in tieferen Wasserschichten scheint diesen Prozess zu verlangsamen. Das verbleibende Material wird offenbar in eine Form umgewandelt, die Bakterien kaum noch zersetzen können.

Dieser verbliebene Rückstand ist auf Langlebigkeit ausgelegt. Er kann lange im Sediment verbleiben, anstatt erneut in den atmosphärischen Kreislauf zu gelangen. Der Schlamm trennt damit gewissermaßen die langfristig bewahrten Stoffe von den kurzlebigen.

Über den Gesamtkohlenstoff hinausblicken

Weil die dauerhafte Fraktion die eigentliche langfristige Speicherleistung erbringt, sollte sie nach Auffassung der Forschenden direkt gemessen werden. Sie schlagen dafür einen einfachen Maßstab vor: den Anteil des in einem Stausee abgelagerten Kohlenstoffs, der zur widerstandsfähigen Kategorie gehört.

Ein Stausee kann allein aufgrund seines Speichervolumens wie eine wirksame Kohlenstoffsenke erscheinen. Besteht sein Kohlenstoff jedoch überwiegend aus instabilem Material, könnte ein großer Teil wieder an die Umwelt abgegeben werden. Ein anderer Stausee, der weniger Kohlenstoff einlagert, aber einen größeren Anteil der langlebigen Fraktion bewahrt, könnte langfristig der bessere Speicher sein.

Gerade seine Einfachheit macht diesen Ansatz praktisch. Die bloße Erfassung des insgesamt abgelagerten Kohlenstoffs blendet den Faktor aus, der über die Dauer der Speicherung entscheidet.

Der Maßstab rückt die widerstandsfähige Fraktion in den Mittelpunkt und gibt Verantwortlichen ein Instrument an die Hand, das sie direkt nutzen können.

Bedeutung für das Klima

Seit Jahren behandelt die globale Kohlenstoffbilanzierung Stauseen als breite, einheitliche Kategorie. Dadurch könnte der Beitrag von Kalksteinregionen unterschätzt worden sein.

Die Arbeit deutet darauf hin, dass die Kohlenstoffbindung in Karstbecken weltweit sowohl größer als auch dauerhafter sein könnte, als gegenwärtige Schätzungen vermuten lassen.

Daraus ergeben sich reale Möglichkeiten. Falls die langlebige Fraktion entscheidend ist, könnten Gestaltung und Bewirtschaftung von Stauseen so angepasst werden, dass der dauerhaft gespeicherte Kohlenstoff begünstigt wird. Kalksteinlandschaften bedecken große Teile der Erde, doch die meisten wurden noch nie auf diese Weise bewertet.

Die zentrale Erkenntnis ist eindeutig: Ein Karst-Stausee ist nicht nur eine Kohlenstoffsenke; er könnte außergewöhnlich effizient sein, weil der von ihm abgelagerte Kohlenstoff auf Dauer angelegt ist, statt wieder zu entweichen.

Forschende können nun prüfen, ob sich dasselbe Muster in Kalksteinregionen auf der ganzen Welt zeigt.