Eine aktuelle Studie unter der Leitung von Wissenschaftlern des Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) und der Universität Zürich hat ergeben, dass die für die Kohlenstoffbindung in tiefen Böden vorgeschlagenen organischen Verbindungen durch die globale Erwärmung sehr anfällig für Zersetzung sind.
Das Ergebnis hat Auswirkungen auf eine Schlüsselstrategie im Kohlenstoffmanagement, die auf Böden und Wäldern – natürlichen Kohlenstoff-„Senken“ – beruht, um die globale Erwärmung abzumildern.
Etwa 25 Prozent der weltweiten Kohlenstoffemissionen werden von Wäldern, Grasland und Weideland aufgefangen. Bei der Photosynthese speichern Pflanzen Kohlenstoff in ihren Zellwänden und im Boden. Aufgrund der reichen Kohlenstoffspeicher aus vergangenen Jahrzehnten enthalten Böden doppelt so viel Kohlenstoff wie die Atmosphäre, und tiefere Unterböden (mehr als 20 Zentimeter) machen etwa die Hälfte des Bodenkohlenstoffs aus. Aber mit der Zunahme der Weltbevölkerung steigt auch unser Bedarf an neuen Ackerflächen und Holz. Untersuchungen zeigen, dass die Störung der Natur für den Handel ihren Preis hat: Der Zwischenstaatliche Ausschuss für Klimaänderungen der Vereinten Nationen hat gewarnt, dass Emissionen aus Entwaldung und Landwirtschaft etwa ein Fünftel der globalen Treibhausgase ausmachen.
„Unsere Studie zeigt, dass sich der Klimawandel auf alle Aspekte des Kohlenstoff- und Nährstoffkreislaufs im Boden auswirken wird. Sie zeigt auch, dass es in Bezug auf die Kohlenstoffbindung kein Allheilmittel gibt. Wenn wir wollen, dass der Boden die Kohlenstoffbindung in einer sich erwärmenden Welt aufrechterhält, brauchen wir bessere Lösungen.“ Bodenbewirtschaftungspraktiken, die eine minimale Störung der Böden während der Waldbewirtschaftung und Landwirtschaft bedeuten können“, sagte Margaret Torn, leitende Wissenschaftlerin im Bereich Erd- und Umweltwissenschaften des Berkeley Lab und leitende Autorin der Studie.
Im Jahr 2021 lieferten Torn und ihr Forschungsteam den ersten physikalischen Beweis dafür, dass wärmere Temperaturen zu einem erheblichen Rückgang der in tiefen Waldböden gespeicherten Kohlenstoffvorräte führen – ein Verlust von 33 % über fünf Jahre.
In der neuen Studie enthüllen Torn und Erstautor Cyrill Zosso von der Universität Zürich ein klareres Bild des Bodens in einer sich erwärmenden Welt. Diesmal ist das Forscherteam das erste, das zeigen konnte, dass wärmere Temperaturen zu einem deutlichen Rückgang der organischen Kohlenstoffverbindungen im Boden führen, die von Pflanzen bei der Photosynthese erzeugt werden.
Während eines Experiments an der Blodgett Forest Research Station der University of California in den Ausläufern der Sierra Nevada in Kalifornien verwendeten die Forscher vertikale Heizstäbe, um 1 Meter tiefe (drei Fuß tiefe) Bodenflächen kontinuierlich um 4 Grad Celsius zu erwärmen ( 7 Grad Fahrenheit). Das ist die bis zum Ende des 21. Jahrhunderts prognostizierte Erwärmungst Jahrhundert, wenn die Treibhausgasemissionen hoch bleiben.
Sie fanden heraus, dass bereits 4,5 Jahre Erwärmung bei dieser Temperatur zu großen Veränderungen der Kohlenstoffvorräte in einer Tiefe von mehr als 30 Zentimetern (oder etwa 12 Zoll) unter der Bodenoberfläche führten.
Bei spektroskopischen Experimenten an der Universität Zürich identifizierte Zosso die organischen Verbindungen, die von der Erwärmung betroffen waren.
Die Ergebnisse waren schockierend: ein 17-prozentiger Verlust an Lignin – den Verbindungen, die Pflanzen Festigkeit verleihen – und ein fast 30-prozentiger Verlust an Cutin und Suberin, den wachsartigen Verbindungen in Blättern, Stängeln und Wurzeln, die Pflanzen vor Krankheitserregern schützen.
Torn und Zosso waren auch überrascht, einen signifikanten Unterschied in der Menge an „pyrogenem Kohlenstoff“ in den Bodenproben zu finden, die künstlich erhitzt wurden, im Vergleich zu denen, die nicht künstlich erhitzt wurden. Pyrogener Kohlenstoff ist eine Art organischer Bodenkohlenstoff, der aus verkohlter Vegetation und anderen organischen Überresten entsteht, die nach einem Waldbrand zurückbleiben.
Viele Forscher gehen davon aus, dass pyrogener Kohlenstoff das größte Potenzial hat, als sehr stabile Form von gebundenem Kohlenstoff zu dienen. „Wir fanden viel weniger pyrogenen Kohlenstoff in den tiefen Böden, als sie erhitzt wurden“, sagte Torn.
„Pyrogener Kohlenstoff kann jahrzehnte- oder sogar jahrhundertelang im Boden verbleiben, aber wir müssen seine Anfälligkeit gegenüber Erwärmung oder Änderungen in der Landbewirtschaftung verstehen. Unsere Studie legt nahe, dass sich dieses Material bei Erwärmung des Bodens genauso schnell zersetzte wie alles andere.“ “ erklärte Torn. „Das zeigt, dass, wenn man Material tief in den Boden einbringt, wo es mit Mineralien und Mikroben in Kontakt kommt, diese natürlichen Systeme das Material mit der Zeit zersetzen.“
Als nächstes planen die Forscher, den Boden der Studie erneut zu beproben, um festzustellen, wie sich neun Jahre Erwärmung auf die Bodenzusammensetzung und -gesundheit auswirken. Ein neues Experiment zur Graslanderwärmung am Point Reyes National Seashore in Nordkalifornien ist ebenfalls in Planung. „Wir organisieren außerdem alle weltweiten Experimente zur Erwärmung tiefer Böden (oder zur Erwärmung des gesamten Bodens), um Daten und Know-how auszutauschen und eine Synthese der Daten durchzuführen, um zu sehen, was wir daraus lernen können“, sagte Torn.
Diese Arbeit wurde vom DOE Office of Science (Büro für Biologische und Umweltforschung) und dem Schweizerischen Nationalfonds unterstützt.
