Wie Waldbrände die Bodenchemie verändern

Die riesigen, langanhaltenden Waldbrände, die in den letzten Jahren immer häufiger auftreten, können zu Veränderungen in der Bodenchemie führen, die sich auf die Wasserverschmutzung, die Luftqualität und das Pflanzenwachstum auswirken. Laut einer Übersichtsstudie werden diese Veränderungen jedoch nur unzureichend überwacht und berücksichtigen kaum die Wiederherstellungsbemühungen nach dem Brand oder Risikobewertungen veröffentlicht 14. Mai in Nature Reviews Erde & Umwelt.

Die von Wissenschaftlern der Stanford University und der Colorado State University durchgeführte Studie ergab, dass bessere Techniken erforderlich sind, um Veränderungen im Boden und den umgebenden Ökosystemen zu überwachen. Diese verbesserte Überwachung könnte Entscheidungen darüber beeinflussen, wie Trinkwasser aus verbrannten Gebieten behandelt werden soll, die Wiederaufforstung unterstützt und Arbeiter vor Giftstoffen bei Aufräumarbeiten, Wiederaufbau oder Wiederbegrünung geschützt werden.

„In unserer Studie verknüpfen wir organische und anorganische Chemie, während viele Brandforschungen typischerweise nur einen Themenbereich berücksichtigen“, sagte die Bodenbiogeochemikerin Claudia Avila, die die Studie gemeinsam mit Alandra Lopez, Ph.D., leitete. ’22, während beide Forscher Postdoktoranden im Labor von Scott Fendorf, Professor an der Stanford Doerr School of Sustainability, waren.

„Ein besseres Verständnis der molekularen Mechanismen im Boden kann beispielsweise erklären, warum Trinkwasser aus einem von Waldbränden betroffenen Wassereinzugsgebiet plötzlich giftiger ist oder warum der Wald nicht zurückkommt“, sagte Thomas Borch, Bodenchemiker der Colorado State University , ein leitender Autor der Studie.

Auswirkungen auf Klima und Ökosysteme

Die Überprüfung hebt Beweise aus jüngsten Studien hervor, die darauf hindeuten, dass Waldbrände möglicherweise mehr Kohlendioxid in die Atmosphäre freisetzen, das den Planeten erwärmt, als erwartet. Holzkohleähnliche Reste von verbranntem Holz und anderen organischen Materialien, bekannt als Ruß, binden Kohlendioxid möglicherweise nicht über lange Zeiträume, wie die Wissenschaftler gehofft hatten.

„Kohlenstoff, der durch Waldbrände verloren gegangen ist und zu schwarzem Kohlenstoff wird, kann von Mikroben tatsächlich leichter in Kohlendioxid umgewandelt werden als bisher angenommen“, sagte Fendorf, Terry-Huffington-Professor an der Stanford.

„Aus klimatischer Sicht wissen wir immer noch nicht genau, wie viel Kohlenstoff, der nach einem Brand übrig bleibt, das Potenzial hat, in Treibhausgase wie Kohlendioxid umgewandelt zu werden“, sagte Borch, der in Fendorfs Labor als Forscher arbeitete Postdoktorand vor 20 Jahren.

Laut den Autoren können Waldbrände viele Vorteile für Ökosysteme haben. Einige Brände können den Stickstoffgehalt im Boden erhöhen und die Wasserlöslichkeit von organischem Kohlenstoff im Boden erhöhen, wodurch beispielsweise die Voraussetzungen für ein Nachwachsen geschaffen werden. Die Rückgewinnung hängt jedoch vom Vorhandensein anderer Chemikalien ab. Beispielsweise sind bestimmte Arten organischer Moleküle, die bei Bränden im Boden entstehen, für das Keimen vieler Samen erforderlich.

Wenn die lokale Bodenchemie und die Brandbedingungen nicht genügend dieser Moleküle, sogenannte Karrikine, produzieren, kann die Wiederbegrünung behindert werden.

Andere in der neuen Überprüfung enthaltene Untersuchungen haben gezeigt, dass Waldbrände die Bodenkonzentration einer Gruppe giftiger Chemikalien, bekannt als polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe, verdoppeln können, die chemische Reaktionen auslösen können, die die Wiederbegrünung hemmen. Diese molekularen Effekte könnten durchaus das Rätsel um weite Gebiete erklären, in denen sich Bäume nach Waldbränden in den Rocky Mountains nur schwer wieder etablieren konnten, sagte Borch.

Waldbrände können auch die chemischen Eigenschaften anorganischer Materialien wie Metalle im Boden verändern. Feuer kann die Metalle in gefährliche Formen umwandeln, die sich leicht durch die Umwelt bewegen und in der Luft oder in nahegelegenem Wasser landen, erklärten die Autoren unter Berufung auf Fendorfs und Lopez‘ eigene aktuelle Forschung.

Die Wissenschaftler dokumentierten hohe Konzentrationen einer gefährlichen Form des Metalls Chrom an Waldbrandstellen, die aus der hitzebedingten Umwandlung natürlich vorkommender, harmloser Formen von Chrom resultieren. An Standorten, an denen extrem heiße, langanhaltende Brände die Böden über längere Zeiträume auf hohe Temperaturen erhitzten, blieb Chrom viele Monate lang bestehen, bis zum nächsten großen Regenereignis.

Andere Untersuchungen zu Chrom deuten darauf hin, dass nach Bränden geringerer Intensität restliches pflanzliches und tierisches Gewebe im Boden die Rückkehr der giftigen Form von Chrom in seine inerte Form ermöglichen kann. Zusammengenommen veranschaulichen diese Studien die umfassendere Realität, dass die Auswirkungen von Waldbränden auf die Bodenchemie von der komplexen Natur des Feuers und der Landschaft, einschließlich der Branddauer und -temperatur, abhängen.

Vorhersage und Eindämmung von Waldbrandrisiken

Eine umfassendere Überwachung und Modellierung könnte Strategien zum Schutz von Leben, Eigentum und natürlichen Ressourcen sowie Entscheidungen zum Wildtiermanagement beeinflussen. Avila bietet ein Beispiel dafür, wie dieser Ansatz einer informierten Verwaltung dazu beitragen könnte, das Auswaschen von Metallen in die Trinkwasserversorgung zu verhindern.

„Indem wir einen Bereich identifizieren, der ein hohes Potenzial für beispielsweise die Freisetzung von Chrom aufweist, können wir verordnete Verbrennungen mit geringerer Intensität fordern und das Potenzial für hochintensive, toxinfreisetzende Brände verringern“, sagte Avila, die jetzt Assistentin ist Professor für Umwelt- und Meereswissenschaften an der University of San Diego.

„Wenn wir die Komplexität der miteinander verflochtenen Prozesse erfassen können, die sowohl auf der organischen als auch auf der anorganischen Seite ablaufen, dann hilft uns das, die Ergebnisse für unterschiedliche Brände, Landschaften und geologische Bedingungen vorherzusagen“, sagte Fendorf.