Mithilfe eines der am längsten laufenden Ökosystemexperimente in der Arktis hat ein Forscherteam unter Leitung der Colorado State University ein besseres Verständnis des Zusammenspiels zwischen Pflanzen, Mikroben und Bodennährstoffen entwickelt – Erkenntnisse, die neue Erkenntnisse darüber liefern, wie kritisch Kohlenstoffablagerungen sein können aus dem auftauenden arktischen Permafrost freigesetzt.
Schätzungen zufolge enthalten arktische Böden fast doppelt so viel Kohlenstoff wie derzeit in der Atmosphäre. Da der Klimawandel dazu geführt hat, dass Teile der nördlichsten Polarregionen der Erde auftauen, befürchten Wissenschaftler seit langem, dass erhebliche Mengen an Kohlenstoff in Form von Treibhausgasen freigesetzt werden, ein Prozess, der von Mikroben angetrieben wird.
Ein Großteil der Bemühungen zur Untersuchung und Modellierung dieses Szenarios konzentrierte sich speziell darauf, wie steigende globale Temperaturen den derzeit in arktischen Böden gebundenen Kohlenstoff zerstören werden. Aber die Erwärmung wirkt sich auch auf andere Weise auf die Region aus, darunter veränderte Pflanzenproduktivität, die Gesamtzusammensetzung der Vegetation in der Landschaft und das Nährstoffgleichgewicht im Boden. Laut einer diese Woche in der Zeitschrift veröffentlichten Studie werden diese Veränderungen in der Pflanzenzusammensetzung auch die Art und Weise beeinflussen, wie Kohlenstoff vom Boden in die Atmosphäre gelangt Natur Klimawandel.
Die Arbeit wurde von Megan Machmuller geleitet, einer Wissenschaftlerin in der Abteilung für Boden- und Pflanzenwissenschaften der CSU.
„Unsere Arbeit konzentrierte sich darauf, die Mechanismen zu ermitteln, die für die Kontrolle des Schicksals des Kohlenstoffs in der Arktis verantwortlich sind“, sagte Machmüller. „Wir wissen, dass die Temperatur eine große Rolle spielt, aber es gibt auch Ökosystemveränderungen, die mit dem Klimawandel in dieser Region einhergehen.“
Insbesondere, so Machmüller, erlebe die Region eine Art „Verbuschung“ – eine Zunahme der Strauchhäufigkeit und des Strauchwachstums. Und was Machmüller und ihre Co-Autoren herausgefunden haben, ist, dass diese Sträucher über lange Zeiträume dazu beitragen können, mehr Kohlenstoff im Boden zu halten.
„Es wurde viel Wert auf die direkten Auswirkungen der Erwärmung auf den Kohlenstoff im Boden gelegt“, sagte Co-Autorin Laurel Lynch, Assistenzprofessorin an der University of Idaho, „aber wir stellen bei dieser Arbeit fest, dass sie komplexer ist. Wir.“ Wir müssen dieses Ökosystem als eine ganze Gemeinschaft mit vielen interagierenden Teilen und konkurrierenden Mechanismen betrachten.“
Ein überraschender Befund
Für die neue Arbeit testeten Machmuller und sein Team Bodenproben aus einem 35-jährigen Ökosystemexperiment in der Arktis. Im Jahr 1981 begannen Wissenschaftler mit der Zugabe von Nährstoffen zu Testflächen am Standort Arctic Long-Term Ecological Research im Norden Alaskas, der in der Nähe des Toolik Lake am Fuße der Brooks Mountain Range liegt. Die ursprüngliche Idee bestand darin, zu verstehen, wie die arktische Vegetation im Laufe der Zeit auf zusätzliche Nährstoffe reagieren würde. Das Experiment ermöglichte es Wissenschaftlern jedoch auch zu untersuchen, wie sich langfristige Veränderungen des Bodens auf die Kohlenstoffspeicherung auswirken können.
Nach 20 Jahren fanden Wissenschaftler heraus dass es bei der Zugabe von Nährstoffen im Vergleich zu den Kontrollflächen zu einem erheblichen Kohlenstoffverlust im Boden gekommen war, eine wichtige Erkenntnis, die ein umfassendes wissenschaftliches Verständnis darüber prägte, wie die Arktis auf den Klimawandel reagieren könnte. Diese Experimente wurden fortgesetzt, und Machmüller und ihr Team testeten die Parzellen nach 35 Jahren kontinuierlicher Nährstoffausbringung erneut.
Anstelle eines anhaltenden CO2-Verlusts stellten sie jedoch fest, dass sich der Trend umgekehrt hatte. Nach 35 Jahren hatte sich die in den Testparzellen gespeicherte Kohlenstoffmenge entweder erholt oder überstieg die Menge in den nahegelegenen Kontrollparzellen.
„Wir waren von diesen Ergebnissen wirklich überrascht und wurden neugierig auf den zugrunde liegenden Mechanismus“, sagte Machmüller.
Machmuller und ihr Team führten im Labor fortgeschrittene Isotopenverfolgungsexperimente durch, um mehr darüber zu erfahren, wie sich Kohlenstoff durch das System bewegte. Sie fanden heraus, dass die Nährstoffe bei der ersten Zugabe die mikrobielle Zersetzung anregten – ein natürlicher Prozess, bei dem Mikroben organische Stoffe im Boden durchwühlen, was zur Freisetzung von Kohlendioxid führt.
Doch das änderte sich im Laufe der Zeit, da den Testparzellen kontinuierlich Nährstoffe zugeführt wurden. „Sträucher konditionierten den Boden auf eine Weise, die den mikrobiellen Stoffwechsel veränderte, die Zersetzungsgeschwindigkeit verlangsamte und den Wiederaufbau der Kohlenstoffvorräte im Boden ermöglichte“, sagte Lynch. „Das haben wir nicht erwartet.“
„Dies bietet einen möglichen biologischen Mechanismus, der erklären könnte, warum wir in den ersten 20 Jahren einen Nettokohlenstoffverlust beobachteten, nach 35 Jahren jedoch nicht mehr“, sagte Machmüller.
Wie wichtig es ist, langfristig zu denken
Diese Ergebnisse, so Machmüller, zeigen, dass die Reaktion der Arktis auf den Klimawandel komplizierter sei als bisher angenommen. „Es ist ein komplexes Rätsel“, sagte sie, „und diese Studie hat für uns unterstrichen, wie wichtig es ist, Langzeitstudien zu nutzen, um unser Verständnis von Ökosystemprozessen zu verbessern.“
Gus Shaver, ein Forschungswissenschaftler, der 1981 bei der Einrichtung der ersten Versuchsflächen am Toolik Lake half und Mitautor der Studie ist, betonte ebenfalls, wie wichtig es sei, diese Art von Arbeit über längere Zeiträume durchzuführen.
„Wir haben gezeigt, dass Langzeitexperimente häufig Überraschungen bieten, wenn wir den Verlauf ihrer Reaktionen über die Zeit verfolgen“, sagte Shaver. „Was man in den ersten Jahren eines Experiments findet, ist oft nicht das, was man im 10., 15. oder 35. Jahr lernt.“
Lynch stellte fest, dass bei der Veränderung dieses Ökosystems auch andere Faktoren berücksichtigt werden müssen, die über den reinen Kohlenstoff hinausgehen. Obwohl eine Zunahme des Strauchreichtums verhindern könnte, dass mehr Bodenkohlenstoff in die Atmosphäre gelangt, seien andere Auswirkungen nicht so vorteilhaft, sagte sie.
„Wenn es eine Pflanzenart gibt, die den Rest der Gemeinschaft massiv übertrifft, hat das erhebliche Auswirkungen auf das Ökosystem“, sagte Lynch. Sie sagte beispielsweise: „Der Lebensraum und die Nahrungsquellen vieler Tiere in der Arktis hängen von vielfältigen Pflanzengemeinschaften ab, und der Verlust dieser Vielfalt kann Auswirkungen auf das gesamte Ökosystem haben.“
Lauren Gifford, stellvertretende Direktorin des Soil Carbon Solutions Center der CSU, die nicht an der Studie beteiligt war, sagte, die Arbeit unterstreiche die Notwendigkeit einer robusteren und detaillierteren Modellierung, um besser vorhersehen zu können, wie sich der Klimawandel auf den in der Arktis gespeicherten Kohlenstoff auswirken werde.
„Dies ist eine bemerkenswerte 35-jährige Studie über eines der gefährdetsten Ökosysteme der Erde“, sagte Gifford. „Selbst bei umfassenden Langzeitstudien bleiben die Auswirkungen des Klimawandels oft ungewiss. Interventionen zur Anpassung an den Klimawandel und zur Abschwächung des Klimawandels können zu Ergebnissen führen, die analog oder widersprüchlich sind oder unbeabsichtigte Folgen haben.“
Machmuller ihrerseits hofft, dass die Arbeit zukünftige Forschungen zu diesem Thema anregen wird. „Die Kohlenstoffforschung in der Arktis ist seit langem ein heißes Thema, da sie eine entscheidende Rolle bei der Regulierung unseres globalen Klimas spielt“, sagte sie. „Aber wir haben noch keine Vorstellung davon, wie genau die künftige CO2-Bilanz aussehen wird.“
Weitere Informationen:
Kohlenstoffverläufe im arktischen Boden, die durch Wechselwirkungen zwischen Pflanzen und Mikroben geprägt sind, Natur Klimawandel (2024). DOI: 10.1038/s41558-024-02147-3