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Wirkungen des Klimawandels auf den Boden

Der weltweite Klimawandel macht auch vor Nordrhein-Westfalen nicht halt. Die Lufttemperatur ist in den letzten 100 Jahren um etwa 1 °C angestiegen. Dieser Trend wird sich voraussichtlich weiter fortsetzen.

Durchschnittlich fällt heute ca. 13 % mehr Niederschlag als noch zu Anfang des vergangenen Jahrhunderts. Die Niederschlagszunahme hat vor allem im Winter und Frühling stattgefunden. Gleichzeitig treten heute immer mehr Extremwetterereignisse auf.

Der Klimawandel kann sich besonders auf folgende den Boden betreffende Bereiche auswirken:

Bodentemperatur

Analog zu ansteigenden Lufttemperaturen steigen auch die Bodentemperaturen an.

Eine Zunahme der Bodentemperaturen wirkt sich aus auf

  • die Dauer der Vegetationsperiode und auf das Pflanzenwachstum,
  • die Zusammensetzung der Bodenflora und –fauna,
  • die Geschwindigkeit vieler chemischer Ab- und Umbaureaktionen im Boden, vor allem über höhere Aktivitäten der Mikroorganismen,
  • die chemischen Lösungsgleichgewichte im Boden.

Somit lässt die Zunahme der Temperaturen Einflüsse auf Stoffausträge in das Grund- und Oberflächengewässer annehmen. Vorrausetzung dafür ist aber die Verfügbarkeit von Wasser (Wasserhaushalt). Ist es zu trocken, werden viele chemischen Prozesse und das Pflanzenwachstum ebenso gehemmt wie bei nassen, wassergesättigten und dadurch anaeroben Bedingungen.

Höhere Luft- und Bodentemperaturen führen bei ausreichender Wasserversorgung zu einem gesteigerten Pflanzenwachstum und damit zu einer gesteigerten Stoffaufnahme durch die Pflanzen aus dem Boden.

Das LANUV hat 17 Bodenmessstationen des Deutschen Wetterdienstes (DWD) auswerten lassen. Bei allen untersuchten Stationen weisen die Boden- und Lufttemperaturen jeweils einen positiven linearen Trend auf. (Langzeit-Entwicklung der Bodentemperaturen in verschiedenen Naturräumen Nordrhein-Westfalens) .

Jahresmittel der Bodentemperaturen in 1 Meter Tiefe an der DWD-Station in Essen-Bredeney; © LANUV, Datenquelle: DWD

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Bodenwasserhaushalt

Aufgrabung eines grundwassernahen Bodens: © R. Roth, Geologischer Dienst NRW

Als Zwischenspeicher für Wasser ist der Boden die Pufferzone im hydrologischen Kreislauf. Er hat er einen großen Einfluss auf die Höhe der Verdunstung und auf die Höhe des Niederschlagsanteils, der im Boden versickert und dann in das Grundwasser (= Sickerwassermenge) oder seitlich abfließend in die Oberflächengewässer (=Zwischenabfluss) gelangt.

Die Bodentypen unterscheiden sich sehr stark in ihrer Fähigkeit Niederschlagswasser zwischenzuspeichern und so den Pflanzen zum Wachstum und zur Verdunstung zur Verfügung zu stellen.

Für den Boden in NRW ist, über das Jahr betrachtet, mit einer Erhöhung der Sickerwassermengen zu rechnen, wenn es zu einer Zunahme der Niederschläge im Winterhalbjahr kommt. Für einige Bodentypen sind aber, durch den Klimawandel bedingt, langfristig auch abnehmende Sickerwasserraten anzunehmen (z.B. viele urbane Bodenflächen).

Fällt das Niederschlagswasser in Form von Starkniederschlägen, fließen sowohl im Sommer wie auch im Winter hohe Anteile davon als Oberflächenabflüsse ab. Das Niederschlagswasser gelangt dann schnell in die Oberflächengewässer und die Gefahr von Bodenerosion und Überflutungen ist groß. Die Klimaprojektionen gehen von einer Zunahme der Starkniederschläge aus.

Die längere Vegetationsperiode und der verstärkte Zuwachs der Pflanzen durch die höheren Boden- und Lufttemperaturen führen generell zu einem erhöhten Verbrauch des im Boden vorhandenen Wassers durch die Pflanzen. Das vermindert wiederum die Sickerwassermengen, die bis ins Grundwasser gelangen können und beeinflusst daher auch die Stoffausträge mit dem Sickerwasser.

Ob die Sickerwassermengen im Boden durch den Klimawandel steigen werden, lässt sich letztendlich nur boden- und nutzungsspezifisch berechnen.

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Organische Bodensubstanz und Bodenleben

Stoffwechselaktivitäten der Bodenorganismen setzen kontinuierlich die zur Verfügung stehende organische Substanz zu Humus um.

Dieser ist zwar schwerer zersetzbar, unterliegt aber ebenfalls einem Abbauprozess, bei dem jährlich etwa 1 % Humus umgewandelt wird. Ist das Gleichgewicht von Ab- und Aufbau gestört, kann der Humusgehalt des Bodens verstärkt zunehmen oder zurückgehen.

Dieses Gleichgewicht wird maßgeblich durch die Bewirtschaftung des Bodens und durch die klimatischen Verhältnisse beeinflusst. Steigt die Bodentemperatur bei gleichzeitig ausreichender Feuchtigkeit, ist anzunehmen, dass der Abbauprozess stärker wird.

Um den Humusgehalt dauerhaft zu kontrollieren, hat das LANUV ein Humusmonitoringprogramm eingerichtet.

Belebter Kompostboden; © G. Laukötter

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Stoffausträge in das Grundwasser und die Oberflächengewässer

Veralgter Graben; © M. Dworschak, Geologischer Dienst NRW

Neben den physikalischen und chemischen Eigenschaften des Bodens (vorhandene Stoffmengen, Menge und Art der vorliegenden Bindungspartner für den betrachteten Stoff, vorherrschende Puffer- und Redoxsysteme) wird der Stoffaustrag aus dem Boden wesentlich vom Wasserhaushalt bestimmt. Das Bodenleben und das Pflanzenwachstum sind in diesem Komplex ebenfalls von Bedeutung.

Die meisten dieser Einflussfaktoren stehen miteinander in Wechselwirkung und verändern sich selber unter dem Einfluss des Klimawandels (vgl. hierzu dynaklim-Publikation 11), so dass hier sehr komplexe Wirkungsgefüge entstehen.

Eine Erhöhung der Niederschläge, die Verschiebung der Niederschlagsmengen im Jahresgang (angenommen werden trockenere Sommer und feuchtere Winter) oder höhere Temperaturen, wie für NRW zukünftig anzunehmen sind, können das Stoffverlagerungs- und das Stoffabbaupotential im Boden daher verändern.

Aus dem Boden werden Nähr- und Schadstoffe mit dem Sickerwasser ausgewaschen, sofern ausreichend Wasser dafür zur Verfügung steht. Aber auch nicht gut lösliche Stoffe lassen sich im Sickerwasser und letztlich im Grundwasser nachweisen, verlagert durch verschiedenste Transportmechanismen.

Die Komplexität der Prozesse und der Stand der Forschung erlauben nur einzelstoff-, standort- und nutzungsspezifische Aussagen, ob es durch den Klimawandel zu verstärkten Einträgen von Stoffen in die Gewässer kommen wird.

Der Klimawandel wird sich aber auf die Stoffausträge in Grund- und Oberflächengewässer auswirken und es kann angenommen werden, dass Wetterextreme den Austrag von Stoffen aus dem Boden verstärken werden.

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Bodenerosion; © M. Dworschak, Geologischer Dienst NRW
Bodenverschlämmung; © M. Dworschak, Geologischer Dienst NRW

Erosion und Verschlämmung

Einer der maßgeblichen Faktoren für die Entstehung von Bodenerosion ist im Niederschlag begründet.

Klimaprognosen lassen vermuten, dass die Anzahl von Starkregen sowohl im Sommer- als auch im Winterhalbjahr zunehmen wird. Durch Starkregenereignisse wird der Abtrag von Bodenpartikeln verstärkt. Starkregen führt sowohl zu erhöhten Oberflächenabflüssen, als auch zu einer Zerschlagung von nicht durch Vegetation geschützten Bodenaggregaten.

Mit oberflächlich abfließendem Wasser werden auf unbedeckten und geneigten Flächen Bodenpartikel weggespült. Das tritt insbesondere dann ein, wenn der Boden kein Wasser mehr aufnehmen kann, weil er bereits wassergesättigt, stark ausgetrocknet oder stark verdichtet ist.

Durch die Zerschlagung von Bodenaggregaten kann es bei einigen Bodenarten zudem zur Verschlämmung der Oberflächen kommen, welche den Oberflächenabfluss und dadurch auch den Bodenabtrag, deutlich erhöhen kann. Die Folge ist der Verlust von fruchtbarem Boden.

Studie zur Regenerosivität

Im Auftrag des LANUV haben die Universitäten Köln und Bonn die Niederschlagsdaten von 1937 bis 2007 in NRW ausgewertet. Der Studie von 2010 zu Folge nehmen Niederschläge mit stark erosiver Kraft (Regenerosivität), bezogen auf das Ausgangsjahr 1937, jährlich um ca. 0,5 % zu.

Monitoring

Die Zunahme der Regenerosivität kann als Folge der Klimaerwärmung gewertet werden und wurde in das Klimamonitoringprogramm des LANUV aufgenommen.

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