In einer einzigartigen Langzeitstudie hat eine gemeinsame Gruppe von Wissenschaftlern, darunter die leitende Autorin Ashley Keiser, Assistenzprofessorin für Bodenökologie an der Stockbridge School of Agriculture der University of Massachusetts Amherst, herausgefunden, dass der Kohlenstoff im Boden darüber entscheidet, ob er mineralisiert ist Stickstoff liegt im Boden als Ammonium vor oder wird weiter in Nitrate umgewandelt, die leicht durch den Abfluss verloren gehen und zu giftigen Algenblüten beitragen, oder in Lachgas, das die Atmosphäre 300-mal stärker erwärmt als Kohlendioxid.
Die Studie wurde kürzlich in veröffentlicht Briefe zur Biogeochemiezeigt außerdem, dass die Beziehung zwischen Kohlenstoff und Stickstoff im Boden in allen Ökosystemen von der Tundra bis zu den Subtropen zu bestehen scheint.
„Alle Lebewesen benötigen Nährstoffe in bestimmten Verhältnissen“, sagt Keiser. „Denken Sie nur an Ihre täglichen Vitamine. Wenn Sie beispielsweise zu viel Vitamin C zu sich nehmen, scheidet Ihr Körper es aus, damit Sie gesund bleiben können.“
Das Gleiche gilt für die mikrobiellen Gemeinschaften im Boden. In jedem Teelöffel Erde stecken Milliarden von Mikroben. Sie sind die vorherrschende Lebensform auf der Erde und für ihr Überleben auf Kohlenstoff und Stickstoff angewiesen. Genau wie beim Menschen und bei Vitamin C nehmen Mikroben den benötigten Kohlenstoff und Stickstoff in ihren Körper auf, verarbeiten und wandeln den Rest um und geben ihn schließlich wieder an den Boden ab.
Mikroben bauen organisches Material ab – denken Sie an abgestorbene Blätter, verrottendes Holz und die unzähligen Mikrobenkadaver. Dieser Prozess wird „Mineralisierung“ genannt und entzieht der toten Materie den Kohlenstoff und stellt ihn den Mikroben zur Verbrennung als Energie zur Verfügung.
Mikroben mineralisieren auch den Stickstoff in dieser toten Materie zu Ammonium – und Pflanzen lieben Ammonium. Aber Mikroben können den Stickstoff weiter in Nitrate umwandeln, die sich leicht in Wasser lösen. Wenn Nitrate im Boden reichlich vorhanden sind, können sie in Bäche und Flüsse gespült werden, wo sie schließlich riesige Algenblüten ernähren, die für viele Wasserpflanzen und -tiere giftig sind. Darüber hinaus kann bei der Nitrifikation auch Lachgas entstehen, ein weitaus stärkeres Treibhausgas als Kohlendioxid.
Keiser und ihr Team haben herausgefunden, dass die Menge an Kohlenstoff im Boden die Art und Weise beeinflusst, wie Mikroben Stickstoff verarbeiten.
„Wenn der Kohlenstoffvorrat im Boden hoch ist“, sagt Keiser, „brauchen Mikroben viel mehr Stickstoff für sich, weil sie genau wie wir eine ausgewogene Ernährung brauchen.“ Und während ein erhöhter mikrobieller Stickstoffverbrauch dazu führt, dass weniger in Nitrate umgewandelt wird, bedeutet dies auch, dass weniger Ammonium für die Ernährung der Pflanzen zur Verfügung steht.
Das Gegenteil gilt auch. Wenn der Boden weniger Kohlenstoff enthält, leiten Mikroben mehr Stickstoff durch ihre Systeme und wandeln ihn in Ammonium, Nitrate und möglicherweise Lachgas um.
Der Schlüssel ist der Kohlenstoff, eine Erkenntnis, die Keiser und die Hauptautorin des Artikels, Allison Gill, Assistenzprofessorin für Biologie am Williams College, mit Hilfe des Long Term Ecological Research (LTER) Network der National Science Foundation (NSF) entdeckten. „Um unsere Hypothesen zu testen, nutzten wir Datenbanken zu 14 terrestrischen LTER-Standorten in den USA“, sagt Gill.
„Diese Standorte umfassten verschiedene Ökosysteme, darunter Tundra, boreale Wälder, Wüsten und Grasland. Der große Datensatz, der über einen Zeitraum von 40 Jahren gesammelte Messungen umfasst, stellte ein leistungsstarkes Instrument zur Bewertung dar, wie die Kohlenstoffkonzentration im Boden mit dem Stickstoffkreislauf interagiert und ihn einschränkt.“
„Ich gebe gerne zu, dass alle meine Co-Autoren und ich überrascht waren, dass die Rolle von Kohlenstoff als ‚Torwächter‘ in so unterschiedlichen Ökosystemen Bestand hat“, sagt Keiser. „Solche Muster sehen wir in der Ökologie nicht sehr oft.“
Die Entdeckung dieses Zusammenhangs hat Auswirkungen auf alles, von der Landwirtschaft bis hin zu Lösungen zur Eindämmung des Klimawandels, die auf der Speicherung von Kohlenstoff im Boden beruhen. „Jetzt, da wir wissen, dass dieser Zusammenhang besteht“, sagt Keiser, „können wir neue Fragen stellen, die mehr Schichten über diese grundlegenden Prozesse aufdecken, von denen ein Großteil des Lebens auf der Erde abhängt.“
Mehr Informationen:
AL Gill et al., Die Kohlenstoffverfügbarkeit im Boden entkoppelt die Netto-Stickstoffmineralisierung und die Netto-Nitrifikation an Standorten der langfristigen ökologischen Forschung in den Vereinigten Staaten. Biogeochemie (2023). DOI: 10.1007/s10533-022-01011-w