Pflanzen-Boden-Kohlenstoffdynamik und globale Erwärmung

Böden beinhalten mehr als dreimal so viel Kohlenstoff als die Atmosphäre, und können durch ihre Auswirkung auf das Pflanzenwachstum und den Abbau ihrer organischen Substanz den Klimawandel beschleunigen oder verlangsamen. Kältedominierte Ökosysteme der nördlichen Breiten speichern besonders große Mengen an Kohlenstoff im Boden, und ihre Kohlenstoffvorräte gelten im Zuge der globalen Erwärmung als besonders gefährdet. Neben den direkten Auswirkungen der Erwärmung können auch die über die Zersetzung der organischen Substanz freiwerdenden Nährstoffe die mikrobielle Aktivität verändern. Darüber hinaus können Pflanzen über die Freisetzung energiereicher Kohlenstoffverbindungen die Umsatzraten der organischen Substanz im Boden maßgeblich beeinflussen. Das beantragte Projekt soll für ein subarktisches Grasland die komplexen Wechselwirkungen zwischen der Aktivität von Pflanzen und Mikroorganismen in Bezug auf die dynamischen Veränderungen des organisch gebundenen Kohlenstoffs im Boden analysieren, die sich im Zuge der Erwärmung und vor dem Hintergrund unterschiedlicher Nährstoffverfügbarkeit ergeben. Dazu soll der Kohlenstoff-Transport von der Photosynthese in Wurzeln, Mikroorganismen und organische Kohlenstoffvorräte im Boden und deren Umsatzraten verfolgt werden. Die Erkenntnisse werden mithilfe neu entwickelter mathematischer Modelle dazu beitragen, die Rückkoppelungen zwischen der terrestrischen Kohlenstoffdynamik und dem Klima besser zu verstehen und vorherzusagen.

Die Böden enthalten mehr als dreimal so viel Kohlenstoff (C) wie die Atmosphäre und haben das Potenzial, den Klimawandel durch veränderte Raten der C-Speicherung zu verlangsamen oder zu beschleunigen. Die riesigen C-Vorräte in Böden kalter, nördlicher Ökosysteme sind im Zuge der Klimaerwärmung besonders anfällig für zunehmende Kohlenstoffverluste. Erwärmung kann direkte Auswirkungen auf die mikrobielle Aktivität und damit den Abbau organischer Substanz und die Freisetzung von C und von Nährstoffen wie Stickstoff (N) haben. Darüber hinaus können aber auch Pflanzen durch die Verlagerung des im Zuge der Photosynthese aufgenommenen C in die Wurzeln und zu den Mikroorganismen den C-Kreislauf im Boden stark beeinflussen. Ziel unseres Forschungsprojekts war es zu untersuchen, wie sich Erwärmung und N-Verfügbarkeit auf die C-Dynamik von Pflanzen und Bodenmikroben auswirken. Wir untersuchten subarktisches Grasland in Island, das Gradienten natürlicher geothermischer Bodenerwärmung ausgesetzt war, und in dem ausgewählte Versuchsparzellen mit N gedüngt wurden. Unser Experiment zeigte, dass die Erwärmung zu einem anfänglich (d. h. innerhalb von 5 Jahren) starken Verlust an organischer Substanz und mikrobieller Biomasse im Boden führte, gefolgt von einer langfristigen Abschwächung dieser Reaktionen. Nach 8-10 Jahren Erwärmung überstieg die Ökosystematmung die maximale Photosynthese des Bestandes während der produktivsten Jahreszeit, was zu Netto-CO2-Emissionen aus dem erwärmten Grasland führte. Eine Studie mit stabilen C-Isotopen zeigte, dass die Erwärmung die Verlagerung von kürzlich durch Pflanzen assimiliertem Kohlenstoff in den Boden erhöht und beschleunigt. Die mikrobiellen Gruppen, deren Biomasse bei Erwärmung aufgrund des verringerten Boden-C am stärksten reduziert wurde, nahmen verhältnismäßig mehr des durch die Photosynthese der Pflanzen assimilierten C auf. Laborinkubationen von Böden mit einer labilen C-Quelle zeigten, dass die Erwärmung einen negativen Priming-Effekt des Umsatzes organischer Substanz im Boden verstärkte und dass überraschenderweise eine geringere N-Verfügbarkeit nicht mit einem erhöhten Priming verbunden war. Das N-Düngungs-Experiment zeigte, dass bei Erwärmung die Pflanzen, nicht aber die Mikroben, in ihrem Wachstum verstärkt durch die N-Verfügbarkeit begrenzt waren, was zu einer Erhöhung der C-Allokation von der Vegetation in den Boden führte. Die N-Zugabe beschleunigte auch die Zersetzung von pflanzlicher Streu, hatte jedoch keinen Einfluss auf die Stabilisierung von C in der organischen Bodensubstanz. Insgesamt deuten die Projektergebnisse darauf hin, dass die Erwärmung von subarktischen Graslandböden zu erheblichen C- und N-Verlusten führt und dass Mikroben in erwärmten Böden nicht N-, sondern C-limitiert sind und stärker von der Zufuhr von frisch assimiliertem C durch Pflanzen abhängen. Die C-Allokation von der Pflanze in den Boden und C-N-Interaktionen spielen somit eine Schlüsselrolle bei der Dynamik des Boden-C in subarktischen Ökosystemen in einer wärmeren Welt.