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Verwitterung von Böden prägt den Kohlenstoffkreislauf

Böden sind ein wichtiges Reservoir für Kohlenstoff und können somit den Anstieg von klimaschädlichem Kohlendioxid in der Atmosphäre mildern. Ein internationales Team von Wissenschaftlern unter Beteiligung des Max-Planck-Instituts für Biogeochemie in Jena untersuchte nun wie die Kohlenstoffspeicherung vom Alter und Verwitterungsgrad der Böden abhängt. Die Studie wurde kürzlich in der renommierten Fachzeitschrift Nature Geosciences veröffentlicht.

Die Bodenprobenkampagne wurde auf einer Reihe von Böden ausgeführt, die aus dem Hochland der Sierra Nevada entstanden sind, welches über Millionen von Jahren abgelagert wurde. Auf jungen fruchtbaren Böden (obere Reihe) gedeiht ein üppiges Pflanzenwachstum. Alte Böden (untere Reihe) können aufgrund des Mangels an geeigneten Mineralien nur eine sehr arme und knappe Vegetation erhalten.

Böden spielen eine Schlüsselrolle beim Austausch von Kohlendioxid (CO2) zwischen der Landoberfläche und der Atmosphäre und sind daher von großer Bedeutung für das Klima. Ob sie Kohlenstoff speichern oder freigeben, hängt meist von den klimatischen Bedingungen und der Bewirtschaftung ab. Diese beiden Faktoren kontrollieren maßgeblich das Pflanzenwachstum und damit auch wie viel Kohlenstoff in den Boden gelangt. Gleichzeitig steuern sie auch die Aktivität von Bodenmikroorganismen, welche Pflanzenreste zersetzen und damit Kohlenstoff wieder in die Atmosphäre freisetzen. Die geologische Entstehung und Zusammensetzung legt dabei langfristige und großflächige Hintergrundbedingungen fest, in welchen sich die Böden mit ihrer Fähigkeit zur Kohlenstoffspeicherung bilden und entwickeln. 

Ein internationales Team von Wissenschaftlern unter Beteiligung von Prof. Susan Trumbore vom Max-Planck-Institut für Biogeochemie in Jena, hat nun gezeigt, wie wichtig es ist, die langfristige Bodenentwicklung zu berücksichtigen, insbesondere die Verwitterung von Gesteinen durch natürliche Zersetzung. Nur mit diesem Wissen können kurzzeitige Effekte auf die Kohlenstoffumsätze im Boden beurteilt werden. 

Die Forscher arbeiteten dafür im kalifornischen „Central Valley“ an einer Abfolge von Böden in unterschiedlichen Verwitterungsstadien, bei der die jungen Böden nur einige Jahre Entwicklung hinter sich haben und die ältesten bereits mehrere Millionen Jahre alt sind. Hervorgegangen sind sie aber aus den gleichen geologischen und klimatischen Hintergrundbedingungen. „Hier konnten wir verschiedenartige Veränderungen der Böden untersuchen und vergleichen, die im Laufe der Zeit mit der Verwitterung einhergehen und die sich auf den Kohlenstoffkreislauf auswirken. Dazu gehören beispielsweise ökologische Veränderungen des Artbestands, hervorgerufen durch unterschiedliche Nährstoffverfügbarkeit, und auch der Einfluss den die Erderwärmung auf biologische Prozesse haben könnte“ sagt Trumbore. 

Die Wissenschaftler haben festgestellt, dass die durch Verwitterung frei werdenden Minerale einen entscheidenden Einfluss auf Nährstoffe, die Bodenmikroorganismen und die Kohlenstoffspeicherung haben. Allgemein gesagt, wird durch Verwitterung die Verfügbarkeit und Speicherung von Nährstoffen anfangs erhöht, später aber verringert. Damit einhergehend steigt zunächst die Fähigkeit der Böden, Kohlenstoff zu stabilisieren, sinkt danach aber langfristig ab. 

Wie hilft uns dieses Wissen, die Voraussagen zum Kohlenstoffkreislauf zu verbessern? 

„Das großartige an der Studie ist, dass die Ergebnisse eindrücklich zeigen, wie eng kurzzeitig agierende biologische Prozesse mit langfristigen Veränderungen durch die Verwitterung verflochten sind“ setzt Trumbore fort. Die Wissenschaftler hoffen, mit diesen Erkenntnissen die Prozesse des Kohlenstoffaustauschs auf globaler Ebene besser verstehen zu können: Mit einfacheren Modellen, in denen biologische Prozesse vor dem Hintergrund verwitterungsbedingter Veränderungen besser beschrieben sind, aber größeren Datensätzen, welche auch geologische Informationen beinhalten. 

Original Veröffentlichung:
Full title: Doetterl S., Arnold C., Berhe A.A., Bodé S., Boeckx P., Fiener, P., Finke P., Fuchslueger L., Griepentrog, M., Harden J.W., Nadeu E., Schnecker J., Six J., Trumbore S., Van Oost, K., Vogel C. 2018. 
Links among warming, carbon and microbial dynamics mediated by soil mineral weathering. 
Nature Geoscience, DOI: doi.org/10.1038/s41561-018-0168-7.