Die Speicherung von Kohlenstoff in Böden kann zur Eindämmung des Klimawandels beitragen, und mit Mineralien verbundenes organisches Bodenmaterial verfügt über die größte Fähigkeit, Kohlenstoff zu speichern. Ein Forscherteam, darunter Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Biogeochemie und der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg, untersuchte die Faktoren, die mineralassoziierte organische Stoffe steuern.
Ihr Studium, veröffentlicht In Biologie des globalen Wandelszeigt, dass die Menge und Geschwindigkeit seiner Bildung zwar in erster Linie durch die Mineralzusammensetzung gesteuert wird, sich aber sowohl die Landnutzung als auch die Bewirtschaftungsintensität kurzfristig auch auf mineralassoziierte organische Stoffe auswirken.
Der organische Kohlenstoff im Boden ist nicht nur wichtig für die Bodenfruchtbarkeit und die Nahrungsmittelproduktion, sondern spielt auch eine wichtige Rolle für das Erdklima, da jedes Jahr etwa 7 % des atmosphärischen CO2 durch die Böden zirkuliert. Seit Beginn der Landwirtschaft haben Böden erhebliche Mengen Kohlenstoff an die Atmosphäre abgegeben. Um den Klimawandel einzudämmen, müssen wir daher verstehen, wie zusätzliche Kohlenstoffverluste verhindert und die Kohlenstoffvorräte im Boden wiederhergestellt werden können.
In Verbindung mit Mineralien hat organischer Kohlenstoff im Boden eine längere Verweilzeit und Widerstandsfähigkeit gegenüber Störungen. Die Bildung von mineralassoziierter organischer Substanz (MAOM) ist daher ein Schlüsselprozess im globalen Kohlenstoffkreislauf. Trotz jahrzehntelanger Forschung blieb jedoch ungeklärt, wie sich die Mineralzusammensetzung und die Intensität der Landbewirtschaftung auf die MAOM-Bildung auswirken.
Um diese Forschungslücke zu schließen, wurden mehr als 3.500 durchlässige Behälter, gefüllt mit kohlenstofffreiem Goethit, einem repräsentativen Eisenoxid im Boden, oder Illit, einem repräsentativen Silikat-Tonmineral, an 150 Wald- und 150 Graslandstandorten vergraben. Die Standorte liegen in den drei deutschen Untersuchungsregionen des Infrastrukturschwerpunktprogramms „Biodiversitätsexploratorien“.
Nach fünf Jahren Inkubation unter der Erde analysierte ein Wissenschaftlerteam um De Shorn Bramble vom Max-Planck-Institut für Biogeochemie (MPI-BGC) in Jena und Susanne Ulrich von der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg (MLU) den Inhalt des Behälters. Sie fanden heraus, dass Goethit unabhängig von der Art der Landnutzung und der Bewirtschaftungsintensität viermal mehr organischen Kohlenstoff anreicherte als Illit. Dieses Ergebnis unterstreicht, dass die Mineralzusammensetzung entscheidend für die Steuerung der Geschwindigkeit und Menge der MAOM-Bildung in Böden ist.
„Ein Großteil unseres Wissens über die Rolle von Oxiden und Silikattonen für die Kohlenstoffspeicherung im Boden stammt aus Laborstudien. Da diese beiden Mineralgruppen in natürlichen Böden interagieren, ist eine eindeutige Unterscheidung ihrer einzelnen Rollen bei der MAOM-Bildung nicht möglich“, erklärt Susanne Ulrich, Ph.D. Kandidat an der MLU.
„Unser Versuchsaufbau ermöglichte es uns erstmals, das Kohlenstoffspeicherpotenzial dieser beiden Mineralgruppen unter Feldbedingungen direkt zu vergleichen. Unsere Ergebnisse zeigen, dass nicht die Mineraloberfläche, sondern die Oberflächeneigenschaften die MAOM-Bildung bestimmen, wobei Oxide einen viel größeren Einfluss haben.“ Potenzial zur Kohlenstoffspeicherung als silikatische Tonmineralien.
Aufgrund der langen Verweildauer von Kohlenstoff auf Mineralien wurde angenommen, dass die MAOM-Bildung auf Zeitskalen von weniger als Jahrzehnten relativ unempfindlich gegenüber Landnutzung und -bewirtschaftung ist. Allerdings beobachteten die Forscher in ihrer Studie, dass die MAOM-Bildung in Wäldern durch die Ernteintensität verringert und durch die Auswahl der Baumarten verändert wurde. In Grasland steigerten sowohl die Pflanzenproduktivität als auch die Pflanzenvielfalt die MAOM-Bildung. Sowohl die Pflanzenproduktivität als auch die Pflanzenvielfalt wurden durch die Düngung beeinflusst, wobei die Düngung die Pflanzenproduktivität erhöhte, aber die Pflanzenvielfalt verringerte.
De Shorn Bramble, Ph.D. Kandidat am MPI-BGC, veranschaulicht die gegensätzlichen neuen Ergebnisse: „Wir beobachteten erhebliche Landnutzungs- und Managementeffekte auf die MAOM-Bildung, nachdem wir kohlenstofffreie Mineralien nur fünf Jahre lang den Umgebungsbedingungen des Bodens ausgesetzt hatten. Diese Veränderungen finden jedoch wahrscheinlich auch in natürlichen Böden statt.“ könnte mit herkömmlichen Messansätzen schwer zu erkennen sein. Unsere Erkenntnisse und unser experimenteller Ansatz könnten daher wichtig sein, um vorherzusagen, wie MAOM auf menschliche Aktivitäten reagiert.“
Er stellt fest, dass die Mineralzusammensetzung zwar das Potenzial für die Kohlenstoffspeicherung im Boden bestimmt, die Landnutzung jedoch Einfluss darauf hat, wie viel dieses Potenzials genutzt wird. Daher ist es wichtig, weiterhin zu lernen, wie die Pflanzenproduktivität, die Qualität des organischen Inputs und die Zersetzergemeinschaft bei der MAOM-Bildung von Böden unter unterschiedlicher Bewirtschaftung zusammenwirken.
Mehr Informationen:
De Shorn E. Bramble et al.: Die Bildung von mineralassoziiertem organischem Material in gemäßigten Böden wird hauptsächlich durch die Mineralart gesteuert und durch Landnutzung und Bewirtschaftungsintensität modifiziert. Biologie des globalen Wandels (2023). DOI: 10.1111/gcb.17024