Mit steigenden globalen Temperaturen, insbesondere in Regionen mit hohen Breitengraden, vollziehen Bodenmikroben eine entscheidende Veränderung in der Art und Weise, wie sie Nährstoffe verarbeiten. Traditionell fungieren diese Mikroben als Recycler und wandeln Stickstoff in Formen um, die Pflanzen nutzen können. Neue Forschungsergebnisse aus Island zeigen jedoch, dass sich erwärmende Böden dazu führen, dass Mikroben Stickstoff im Inneren zurückhalten, was die für das Pflanzenwachstum verfügbare Menge verringert und möglicherweise den Klimawandel verschärft. Diese Veränderung stört den natürlichen Nährstoffkreislauf mit weitreichenden Auswirkungen auf die Vegetation und den Treibhausgasgehalt in der Atmosphäre.
Ein natürliches Experiment in Island
Die Ergebnisse stammen aus einer einzigartigen Langzeitstudie, die in subarktischen Graslandschaften in der Nähe von Hveragerði, Island, durchgeführt wurde. Durch eine Reihe von Erdbeben im Jahr 2008 entstand unbeabsichtigt ein natürliches Labor: Durch geothermische Aktivität wurden Teile des Bodens um 0,5 °C bis 40 °C über dem Normalwert erwärmt, sodass Forscher die Reaktionen des Ökosystems unter anhaltenden Erwärmungsbedingungen beobachten konnten. Dieses natürliche Experiment bot die seltene Gelegenheit zu untersuchen, wie sich Mikroben auf eine Weise an langfristige Temperaturerhöhungen anpassen, die unter kontrollierten Laborbedingungen nicht vollständig reproduziert werden können.
Forscher nutzten Stickstoff-15, um den Nährstofffluss zu verfolgen, und stellten fest, dass die Mikroben nach einem anfänglichen Stickstoffverlust aus dem Boden zunehmend konservativer wurden. Anstatt Ammonium – ein pflanzenverwertbares Stickstoffnebenprodukt – freizusetzen, begannen sie, Stickstoff intern zu recyceln. Dieses Verhalten, das von einem Forscher als das mikrobielle Äquivalent des „Harnhaltens“ beschrieben wurde, verringert die Stickstoffverfügbarkeit für Pflanzen.
Die Implikationen für Ökosysteme
Diese mikrobielle Ansammlung hat sowohl positive als auch negative Auswirkungen. Einerseits verhindert es einen weiteren Stickstoffverlust durch Auswaschung oder Freisetzung in die Atmosphäre als Lachgas, ein starkes Treibhausgas. Allerdings verschärft es auch den Wettbewerb zwischen Pflanzen und Mikroben um begrenzte Stickstoffressourcen.
Das empfindliche Gleichgewicht zwischen Pflanzenwachstum (Absorption von Kohlenstoff) und mikrobiellem Abbau (Freisetzung von Stickstoff) wird gestört. Wenn Mikroben ihre eigenen Bedürfnisse priorisieren, kann sich das Pflanzenwachstum verlangsamen und die Fähigkeit des Ökosystems, Kohlenstoffemissionen auszugleichen, verringern. Dies könnte die Erwärmung eher beschleunigen als abmildern, was die Annahmen einiger Klimamodelle untergraben würde.
Eine frühe Erwärmung ist entscheidend
Forscher untersuchen nun die Anfangsstadien der Bodenerwärmung, um herauszufinden, was passiert, bevor es zu einem erheblichen Nährstoffverlust kommt. Die Umpflanzung normaler Böden in beheizte Gebiete lässt darauf schließen, dass der größte Nährstoffmangel schon früh, nämlich innerhalb der ersten 5–10 Jahre der Erwärmung, auftritt. Dieser Befund unterstreicht, dass die schädlichsten Auswirkungen in der Anfangsphase des Temperaturanstiegs auftreten, weshalb ein schnelles Eingreifen von entscheidender Bedeutung ist.
Eine drohende Kohlenstoff-Rückkopplungsschleife
Die Studie weist auf eine mögliche Unterschätzung des Beitrags des Stickstoff- und Kohlenstoffverlusts in kalten Böden zur globalen Erwärmung in Klimamodellen hin. Arktische Böden speichern riesige Mengen teilweise zersetzter organischer Substanz – ein riesiges Kohlenstoffreservoir. Höhere Temperaturen erhöhen die mikrobielle Aktivität, beschleunigen den Abbau und setzen mehr Kohlendioxid frei.
Die Erwartung, dass Pflanzen unter wärmeren Bedingungen kräftiger wachsen und diesen überschüssigen Kohlenstoff absorbieren würden, wird nun in Frage gestellt. Stattdessen verringert die mikrobielle Ansammlung die Stickstoffverfügbarkeit, schwächt das Pflanzenwachstum und verringert die Fähigkeit des Ökosystems, als Kohlenstoffsenke zu fungieren. Dadurch entsteht eine gefährliche Rückkopplungsschleife: weniger Pflanzenwachstum, schlechtere Böden und anhaltende Treibhausgasemissionen.
Vorbehalte und zukünftige Forschung
Obwohl die Studie bahnbrechend ist, erkennt sie auch Einschränkungen an. Die geothermisch erwärmten Böden spiegeln möglicherweise nicht perfekt die Muster der globalen Erwärmung wider, zu denen auch ein Anstieg der Lufttemperatur und nicht nur eine Erwärmung auf Wurzelebene gehört. Darüber hinaus unterscheiden sich die vulkanischen Böden Islands von den torfreichen arktischen Landschaften Skandinaviens und Russlands. Weitere Forschungen in verschiedenen arktischen Umgebungen sind von entscheidender Bedeutung, um diese Ergebnisse zu bestätigen.
Diese Ergebnisse unterstreichen einen entscheidenden, aber übersehenen Aspekt des Klimawandels: das komplexe Zusammenspiel zwischen Mikroben, Pflanzen und Nährstoffkreisläufen. Das Ignorieren dieser Dynamik könnte zu ungenauen Klimavorhersagen und ineffektiven Klimaschutzstrategien führen.
