Die räumliche Verteilung von Poren hilft zu bestimmen, wo Kohlenstoff im Boden gespeichert wird

Böden speichern mehr Kohlenstoff als die gesamte Vegetation auf der Erdoberfläche. Allerdings sind noch viele Fragen offen, welche Prozesse die Anreicherung im Boden begünstigen. Unter Federführung des Helmholtz-Zentrums für Umweltforschung (UFZ) hat ein Team von Bodenkundlern eine neue Methode entwickelt, um zu zeigen, wo und unter welchen Bedingungen Kohlenstoff im Boden gespeichert wird. Wie sie schreiben Naturkommunikationist es in erster Linie das Netzwerk von Bodenporen, das die räumliche Verteilung von Kohlenstoff steuert.

In der öffentlichen Debatte zum Klimaschutz wird die Bedeutung des Bodens oft vergessen. Böden speichern jedoch weltweit deutlich mehr Kohlenstoff als Wälder oder die Atmosphäre. Die Langzeitspeicherung von Kohlenstoff kann recht komplex sein. Einerseits hängt es davon ab, wie viel atmosphärischer Kohlenstoff durch Wurzelwachstum, verschiedene Durchmischungsprozesse (z. B. Bodenbearbeitung oder die Aktivität von Regenwürmern) und das Versickern gelöster organischer Verbindungen in den Boden gelangt. Andererseits kommt es darauf an, ob der im Boden vorhandene Kohlenstoff stabilisiert werden kann oder durch Bakterien und Pilze abgebaut wird. Welcher Prozess effizienter ist – Speicherung oder Abbau –, wird in erster Linie durch die Struktur des Bodens bestimmt (z. B. die Größe des Porennetzwerks, das den Transport von Luft, Wasser und Nährstoffen unterstützt).

„Der in Pflanzenresten und Humus gespeicherte Kohlenstoff wird nicht abgebaut, wenn Bakterien oder Pilzhyphen größer sind als die Poren im Boden, in dem er gespeichert ist“, sagt Dr. Steffen Schlüter, UFZ-Bodenphysiker und Erstautor der Studie. Sind die Poren zudem permanent mit Wasser gefüllt und damit ohne Sauerstoffzufuhr (z. B. in intakten Torfböden), können Bakterien die Kohle schlechter verwerten. „Einer der entscheidenden Faktoren dafür, wo Kohlenstoff im Boden gespeichert wird, ist also die räumliche Verteilung der Poren“, sagt Schlüter. Bisher war es nicht möglich, das Verteilungsmuster des organischen Kohlenstoffs innerhalb der millimeter- und mikrometergroßen Poren zu untersuchen.

Doch das ist den Wissenschaftlern des UFZ nun gelungen. Mit ihrer neuen Methode können sie den Kohlenstoff im Boden genau lokalisieren. Es basiert auf der Anfärbung der organischen Verbindungen mit Osmiumtetroxid, das auf die kohlenstoffhaltigen Doppelbindungen sickert und anschließend mittels Röntgen-Computertomographie (CT) sichtbar gemacht wird. Indem die Forscher die Bodenprobe vor und nach der Färbung scannen, können die Forscher aus den Unterschieden in den Bildern auf die Verteilung des Kohlenstoffs schließen. Bisher war dies nur mit Hilfe aufwendiger Synchrotron-CT-Verfahren möglich. Da es in Deutschland jedoch nur zwei Teilchenbeschleuniger dieser Art gibt, ist der Zugang stark eingeschränkt. Dagegen ist die Röntgen-CT an bodenkundlichen Instituten in Deutschland weiter verbreitet.

Der neue Ansatz erleichtert somit die Forschung. „Normalerweise kann man nicht in den Boden hineinsehen. Aber diese methodische Neuerung erlaubt uns, Rückschlüsse darauf zu ziehen, wo und wie gut Kohlenstoff im Boden in Abhängigkeit vom Porensystem und organischem Material wie Wurzeln und Streu angereichert ist“, sagt Prof. Hans- Jörg Vogel, Leiter der Abteilung Bodensystemkunde am UFZ. Dies liefert wichtige Informationen über Prozesse im Boden und damit auch über deren Folgen für die Stabilisierung und den Abbau von Kohlenstoff im Boden.

Exemplarisch testeten die Bodenkundler ihre Methodik an drei Standorten mit unterschiedlichen Bodentypen und unterschiedlichen Feuchtigkeitsregimen: einem Schwarzerdestandort mit geringen Jahresniederschlägen an der UFZ-Forschungsstation in Bad Lauchstädt, einem feinstrukturierten Luvisol-Standort mit saisonaler Vernässung in der Voralpenland und eine grundwasserbeeinflusste dauerfeuchte Gleysol-Fundstelle bei Gießen. Die Folge: In unmittelbarer Nähe der Poren (also in einem Randbereich von 50 bis 100 Mikrometer) ist die Kohlenstoffkonzentration geringer als im restlichen Boden. Dies liegt vor allem daran, dass die mikrobielle Aktivität mit zunehmender Entfernung von den Poren abnimmt.

„Dieses Muster ist an allen drei Standorten unabhängig vom Feuchtigkeitsregime zu beobachten. Die Nähe zum Porensystem begünstigt also den Abbau organischer Substanz, und der Abstand zu diesen Poren fördert die Stabilisierung von Kohlenstoff im Oberboden – der Schicht, die es besonders ist wichtig für die Landwirtschaft“, sagt Schlüter. Um organisches Material wie Pflanzenreste herum gibt es dagegen Unterschiede im Kohlenstoffgehalt. In trockenem Schwarzerdeboden nimmt der Kohlenstoff mit zunehmendem Abstand zu den Pflanzenresten ab. Die Bakterien und Pilze haften an den Pflanzenresten, sodass sie leicht an die Kohle gelangen und diese verstoffwechseln können. Die Zersetzungsprodukte reichern sich dann um die Pflanzenreste an. Beim Gleysol war das Gegenteil der Fall. Die Wissenschaftler fanden keine Anreicherung von Produkten rund um die Pflanzenreste. Eine Erklärung ist, dass gelöste Zersetzungsprodukte unter den feuchten Bedingungen leichter über längere Strecken transportiert werden. „Das Feuchtigkeitsregime beeinflusst stark die Stabilisierungsmuster von Kohlenstoff im Boden, weil es das Ausmaß der Kohlenstoffverlagerung aus den Pflanzenresten in den umgebenden Boden steuert“, sagt Schlüter.

Der neue methodische Ansatz eröffnet nun interessante Forschungsperspektiven, etwa zur Verteilung des Kohlenstoffs im Untergrund (also den tieferen Bodenschichten bis zu einem Meter). Bisher gibt es nur Indizien dafür, dass die Verteilungsmuster des Kohlenstoffs im Untergrund anders sind als im Oberboden. Denn letzteres wird nicht von der Bodenbearbeitung beeinflusst und nicht so stark von grabenden Tieren durchmischt. Tiefere Schichten kann Kohlenstoff nur durch Anreicherung an den wenigen Wurzeln oder durch Diffusion gelöster organischer Substanzen erreichen.

„Es wäre spannend, mehr über diese Prozesse zu erfahren. Durch den Klimawandel und die daraus resultierenden häufigen Dürren im Oberboden kommt es bei Pflanzen zunehmend zu Wassermangel. Die Bedeutung des Unterbodens für das Pflanzenwachstum nimmt somit zu“, sagt Vogel. Mit der neuen Methode erhoffen sich die Forscher ein besseres Verständnis der Prozesse der Kohlenstoffspeicherung in tieferen Schichten sowie der Ursachen für die Unterschiede in der Kohlenstoffbilanz zwischen verschiedenen Formen der Landbewirtschaftung (z. B. Grünlandnutzung und Ackerbau).