Flüsse als unterschätzte Quelle von Treibhausgasen

Flüsse sind weltweit stark belastet: Sie erwärmen sich, verlieren Sauerstoff und stoßen dadurch immer mehr Treibhausgase aus. Forschende des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) haben diese globalen Entwicklungen nun über zwei Jahrzehnte hinweg quantifiziert. Ihre Ergebnisse zeigen, dass der Anstieg der Temperatur und der menschlichen Landnutzung Flusssysteme grundlegend verändern – mit gravierenden Folgen für das Klima. Veröffentlichung in Global Change Biology.¹

Flüsse sind Lebensraum, Wasserquelle und prägen ganze Kulturräume. Entsprechend negativ sind die Folgen vor Ort, wenn Landwirtschaft und Industrie Flusssysteme belasten. „Flüsse beeinflussen zudem maßgeblich das globale Klimasystem“, sagt Dr. Ralf Kiese vom Institut für Meteorologie und Klimaforschung – Atmosphärische Umweltforschung (IMKIFU), dem Campus Alpin des KIT in Garmisch-Partenkirchen. „Wir beobachten zunehmend, dass Flüsse zu einer signifikanten Quelle für Treibhausgase werden.“ Ursache sind vor allem mikrobielle biogeochemische Prozesse: Gelangen organischer Kohlenstoff und Nährstoffe aus der Landwirtschaft oder aus Abwässern in Flüsse, werden sie dort in Kohlendioxid, Lachgas und Methan umgesetzt – Treibhausgase, die dann in der Atmosphäre ihre Wirkung entfalten.

Maschinelles Lernen ergänzt fehlende Daten

Um diese Entwicklungen erstmals weltweit zu quantifizieren, kombinierten die Forschenden Messdaten mit Satellitenbeobachtungen und Methoden des Maschinellen Lernens. Grundlage waren Messdaten zu Wasserparametern aus über 1 000 Flussstandorten. Diese verknüpften sie mit global verfügbaren Satelliteninformationen zu Vegetation, Strahlung und Topografie. Die Modelle lernten daraus, wie sich diese Umweltfaktoren auf Wassertemperatur, Sauerstoffgehalt und die Anreicherung von Treibhausgaskonzentrationen auswirken. Anschließend übertrugen die Forschenden diese Zusammenhänge auf mehr als 5 000 weitere Einzugsgebiete weltweit und rekonstruierten so erstmals konsistente Zeitreihen von 2002 bis 2022 – auch für Regionen ohne Messdaten.

Die Auswertungen zeigen klare globale Trends: Flüsse erwärmen sich, verlieren Sauerstoff und sind zunehmend mit Treibhausgasen übersättigt. „Im Mittel sinkt der Sauerstoffgehalt um 0,058 Milligramm pro Liter und Jahrzehnt – also deutlich schneller als in Seen und Ozeanen. Gleichzeitig steigen die Emissionen von Kohlendioxid, Methan und Lachgas an“, sagt Dr. Ricky Mwanake vom IMKIFU, der die Berechnungen maßgeblich durchgeführt hat. „Insgesamt schätzen wir die zusätzlichen anthropogenen Emissionen aus Flüssen auf etwa 1,5 Milliarden Tonnen CO₂-Äquivalent im Untersuchungszeitraum von 2002 bis 2022. Diese zusätzlichen Emissionen waren in den derzeitigen globalen Treibhausgasbudgets nicht berücksichtigt worden.“

Klimawandel und Landnutzung verstärken die Emissionen

Besonders dynamische Veränderungen zeigen sich in Regionen mit wachsender landwirtschaftlicher Nutzung und Urbanisierung. Dort treffen steigende Wassertemperaturen auf erhöhte Einträge von Nährstoffen und organischem Kohlenstoff. Durch beschleunigte mikrobielle Prozesse entstehen dabei Hotspots, in denen sich Belastungen gegenseitig verstärken und sich Treibhausgase im Gewässer anreichern. Dadurch können Flüsse zu besonders starken Emittenten von Treibhausgasen werden. „Gelingt es, diese Stoffeinträge zu reduzieren und Flüsse besser zu schützen, lässt sich dieser Effekt umkehren“, sagt Mwanake. „Somit ist der Schutz von Flüssen immer auch aktiver Klimaschutz.“