Stickstoff bringt Wälder aus dem Gleichgewicht
Die Folgen von Stickstoffeinträgen reichen von veränderten Bodenprozessen bis hin zu Auswirkungen auf den Kohlenstoffkreislauf.
Wälder gelten als wichtige Verbündete im Kampf gegen den Klimawandel. Sie speichern große Mengen Kohlenstoff, regulieren den Wasserhaushalt und bieten Lebensraum für unzählige Tier- und Pflanzenarten. Doch viele Waldökosysteme stehen unter zunehmendem Druck – nicht nur durch steigende Temperaturen und Extremwetter, sondern auch durch die anhaltende Belastung mit Stickstoff aus Landwirtschaft, Verkehr und Industrie. Eine internationale Studie zeigt nun, dass diese Stickstoffeinträge tiefgreifende Auswirkungen auf die biologischen Prozesse im Waldboden haben. Je nach Zustand des Ökosystems kann zusätzlicher Stickstoff die Aktivität von Mikroorganismen zunächst fördern oder das System über kritische Belastungsgrenzen hinaus treiben. Die Folgen reichen bis in den globalen Kohlenstoffkreislauf.
Nährstoff und Umweltproblem
Stickstoff gehört zu den wichtigsten Nährstoffen für Pflanzen. Durch menschliche Aktivitäten gelangen jedoch deutlich größere Mengen reaktiver Stickstoffverbindungen in die Umwelt, als natürliche Prozesse bereitstellen würden. Über die Atmosphäre werden diese Stoffe in Wälder eingetragen und reichern sich dort über Jahre und Jahrzehnte an. Seit Beginn der Industrialisierung hat sich die globale Stickstoffdeposition nach Angaben der Forscher etwa verdreifacht. Welche Folgen dies für die sogenannten Bodenatmungsprozesse hat, war bislang allerdings nicht eindeutig geklärt. Frühere Untersuchungen kamen zu unterschiedlichen Ergebnissen: Einige beobachteten eine steigende biologische Aktivität, andere einen Rückgang.
Weltweite Daten ausgewertet
Um die Ursachen dieser Unterschiede besser zu verstehen, analysierte ein internationales Forschungsteam Daten aus 168 Langzeit- und Feldexperimenten in Waldökosystemen rund um den Globus. Insgesamt flossen 3.689 Einzelbeobachtungen zur Bodenatmung in die Untersuchung ein. Ergänzt wurden diese Daten durch globale Informationen zur Stickstoffbelastung sowie hochauflösende Umwelt- und Klimadaten. Mithilfe von Methoden des maschinellen Lernens suchten die Wissenschaftler nach Mustern in den Reaktionen verschiedener Waldtypen.
Zwei unterschiedliche Reaktionsmuster
Die Auswertung zeigte, dass Wälder keineswegs einheitlich auf zusätzliche Stickstoffeinträge reagieren. In stickstoffarmen Ökosystemen wirkt zusätzlicher Stickstoff zunächst ähnlich wie ein Dünger. Mikroorganismen werden aktiver, Wurzeln wachsen stärker und organisches Material wird schneller umgesetzt. Dadurch steigt die Bodenatmung, also die Freisetzung von Kohlendioxid aus dem Boden. Dieser Effekt hält jedoch nicht unbegrenzt an. Mit zunehmender Belastung können toxische Wirkungen auftreten, während gleichzeitig leicht verfügbare Nährstoffe und Kohlenstoffquellen knapper werden. Die Aktivität erreicht schließlich einen Höhepunkt und nimmt danach wieder ab.
Überschrittene Belastungsgrenzen
Anders reagieren Wälder, die bereits seit langer Zeit hohen Stickstoffeinträgen ausgesetzt sind. In solchen stickstoffgesättigten Ökosystemen kann zusätzlicher Eintrag zu einem deutlichen Rückgang der biologischen Aktivität führen. Nach Angaben der Forscher verändern sich dabei die Gemeinschaften von Mikroorganismen, empfindliche Arten gehen zurück und feine Wurzeln sterben verstärkt ab. Gleichzeitig nimmt die Versauerung der Böden zu. Die Folge ist häufig ein abrupter Einbruch der Bodenatmung. Besonders relevant sind diese Erkenntnisse für Regionen mit dauerhaft hohen Stickstoffeinträgen, darunter Teile Europas, Ostchinas und der Ostküste der USA.
Auswirkungen auf Kohlenstoffkreislauf
Die Bedeutung dieser Prozesse reicht weit über einzelne Waldstandorte hinaus. Die Bodenatmung zählt zu den größten natürlichen Kohlenstoffströmen der Erde. Jährlich wird dabei ein Vielfaches der Kohlenstoffmenge freigesetzt, die durch die Verbrennung fossiler Energieträger entsteht. Bereits vergleichsweise kleine Veränderungen können deshalb spürbare Auswirkungen auf die globale Kohlenstoffbilanz haben. Nach den Berechnungen der Forscher erhöht die Stickstoffdeposition die weltweite Bodenatmung insgesamt um rund fünf Prozent. Ein Rückgang der Kohlendioxidfreisetzung bedeutet dabei nicht zwangsläufig eine positive Entwicklung. Oft ist er Ausdruck einer geschwächten biologischen Aktivität und kann auf einen Verlust wichtiger Funktionen des Ökosystems hinweisen.
(red)
