Die Dynamik und Verfügbarkeit von Nährstoffen im Boden kann das Wachstum von Pflanzen und Mikroben einschränken. Diese Kräfte untermauern, wie Ökosysteme auf sich ändernde Umweltbedingungen reagieren. Die Forscher untersuchten im Rahmen des groß angelegten Experiments Spruce and Peatland Responses Under Changing Environments (SPRUCE) die Auswirkungen des Klimas auf die Nährstoffverfügbarkeit in Torfgebieten. Die Studie wird in der Zeitschrift veröffentlicht Ökosysteme.
Mit SPRUCE können Forscher Experimente zur Erwärmung und zum Kohlendioxidgehalt in einem nährstoffarmen Moor durchführen. FICHTE liegt am südlichen Ende der nördlichen Hemisphäre. Das Experiment ergab, dass die ober- und unterirdische Erwärmung die Verfügbarkeit von Nährstoffen in den unterirdischen Torfschichten exponentiell erhöhte. Dies galt insbesondere in den letzten Jahren, als der Teppich aus Torfmoosen an der Torfoberfläche bei den wärmsten experimentellen Behandlungen starb. Erhöhtes Kohlendioxid beeinträchtigte jedoch nicht die Verfügbarkeit von Nährstoffen.
Torfgebiete bedecken weniger als 3 Prozent der Landoberfläche der Erde, aber sie halten mindestens ein Drittel des globalen Bodenkohlenstoffs in tiefen Torfablagerungen. Eine Zunahme der Torfnährstoffverfügbarkeit als Reaktion auf die Erwärmung könnte das Wachstum und die Zersetzung von Pflanzen- und Mikrobengemeinschaften beeinflussen. Dies würde sich wiederum darauf auswirken, wie Moore Kohlenstoff speichern.
Das Ausmaß und der Zeitpunkt der beobachteten Zunahmen der Torfnährstoffverfügbarkeit mit der Erwärmung im SPRUCE-Experiment wurden jedoch nicht im virtuellen Raum von ELM-SPRUCE erfasst. Dies ist eine spezielle Version des Landmodells (ELM) des Energy Exascale Earth System Model (E3SM) zur Simulation der einzigartigen Vegetation, Hydrologie und des Bodens in Moorökosystemen. Diese Diskrepanz macht deutlich, dass verbesserte Modellmechanismen für die Bewegung von Nährstoffen erforderlich sind, um zukünftige Klimareaktionen in Torfgebieten vorherzusagen.
Es wird erwartet, dass die Erwärmung die Nettofreisetzung von Kohlenstoff aus Torfböden erhöht und zu einer zusätzlichen zukünftigen Erwärmung beiträgt. Diese positive Rückkopplung kann durch die Reaktion der Moorvegetation auf steigendes atmosphärisches Kohlendioxid oder auf eine erhöhte Verfügbarkeit von Bodennährstoffen gemildert werden. Forscher des Oak Ridge National Laboratory, der Michigan State University, der Michigan Technological University, Boise State, der Universität Zürich, der University of Tennessee, Knoxville, und des USDA Forest Service stellten zwei Fragen zu diesem Thema.
Zunächst fragten sie, ob ein Gradient der Erwärmung des gesamten Ökosystems (ein Anstieg von 0 °C auf 9 °C) den pflanzenverfügbaren Stickstoff und Phosphor in einem ombrotrophen Moor im Norden von Minnesota erhöhen würde. Zweitens untersuchten sie, ob erhöhtes Kohlendioxid die Nährstoffreaktion verändern würde.
Sie verfolgten Änderungen der pflanzenverfügbaren Nährstoffe über Raum und Zeit und verglichen sie mit anderen Nährstoffpools. Anschließend bewerteten die Forscher, ob die Reaktionen auf die Nährstofferwärmung von einer Punktversion des Landoberflächenmodells ELM-SPRUCE erfasst wurden.
Die Forscher fanden heraus, dass die Erwärmung das pflanzenverfügbare Ammonium und Phosphat exponentiell erhöhte, aber dass die Nährstoffdynamik durch erhöhtes Kohlendioxid nicht beeinflusst wurde.
Die Erwärmungsreaktion nahm zwischen dem ersten und vierten Jahr der experimentellen Manipulation um eine Größenordnung zu, möglicherweise aufgrund der dramatischen Sterblichkeit von Sphagnum-Moosen im Oberflächentorf der wärmsten Behandlungen. Weder die Größenordnung noch die zeitliche Dynamik der Reaktionen wurden von ELM-SPRUCE erfasst. Relative Zunahmen von pflanzenverfügbarem Ammonium und Phosphat mit Erwärmung waren ähnlich, aber die Reaktion variierte je nach Moormikrotopographie (erhöhte Hügel und vertiefte Mulden) und je nach Torftiefe.
Die Dynamik pflanzenverfügbarer Nährstoffe korrelierte nur lose mit anorganischen und organischen Porenwassernährstoffen, die wahrscheinlich unterschiedliche Prozesse repräsentieren. Zukünftige Vorhersagen der Nährstoffverfügbarkeit von Mooren unter Klimawandelszenarien müssen dynamische Änderungen der Nährstoffaufnahme durch Pflanzen und Mikroben sowie Mikrotopographie und Torftiefe berücksichtigen.
Mehr Informationen:
Colleen M. Iversen et al, Erwärmung des gesamten Ökosystems erhöht pflanzenverfügbaren Stickstoff und Phosphor in einem ombrotrophen Moor, Ökosysteme (2022). DOI: 10.1007/s10021-022-00744-x