Die Böden sind der weltgrößte Speicher für Kohlenstoff: Sie enthalten etwa doppelt so viel von diesem Element wie das gesamte Kohlendioxid der Atmosphäre. Gleichzeitig aber ist der Boden auch eine Treibhausgas-Schleuder. Er setzt zehnmal mehr CO2 frei als wir Menschen bei der Verbrennung fossiler Energieträger. Entsprechend wichtig ist der Boden auch für das Klima – und den Verlauf des Klimawandels.

Was aber beeinflusst diese Balance zwischen Speicherung und Abgabe? Wie wirken sich die Wechselbeziehungen zwischen Vegetation, Klima, Bodenorganismen und Bodeneigenschaften auf die Kohlenstoffspeicherung aus? Und wie sensibel reagieren die Kohlenstoffflüsse im Boden auf den Klimawandel oder auf eine veränderte Landnutzung? Genau das untersuchen Forscher am Max-Planck-Institut für Biogeochemie in Jena.

Marion Schrumpf. Susan Trumbore / Max-Planck-Institut für Biogeochemie
Stand: 29.06.2012

Humus und anderes organisches Material im Boden besteht etwa zur Hälfte aus Kohlenstoff. Diese angereicherten Bodenschichten sind letzlich das, was den Boden fruchtbar macht. Denn Böden mit einem hohen Gehalt an organischer Substanz können mehr Nährstoffe und Wasser speichern und an Pflanzen abgeben als humusärmere Böden. Mit ihrer bessere Bodenstruktur verhindern sie, dass Nähr- und Schadstoffe sofort ins Grundwasser ausgewaschen werden. Für die Entwicklung nachhaltiger Strategien in der Landwirtschaft spielt die organische Bodensubstanz daher schon seit langem eine wichtige Rolle.

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Aber der Boden ist auch eine Treibhausgas-Schleuder. Denn Bakterien und Pilze bauen die organischen Kohlenstoffverbindungen ab und setzen den Kohlenstoff im Laufe der Zeit als gasförmiges CO2 wieder frei. Diese Zersetzungsprozesse gehören zu den wichtigsten natürlichen Quellen des Treibhausgases. Jährlich steigt aus den Böden etwa zehnfach mehr CO2 in die Atmosphäre, als bei der Verbrennung fossiler Energieträger frei wird. Diese Menge unterliegt starken natürlichen Schwankungen, aber auch Landnutzung und Umweltänderungen beeinflussen sie. Wissenschaftler erforschen deshalb die Rolle der Böden in globalen Kohlenstoffkreisläufen seit etwa zwei Jahrzehnten verstärkt.

Die Abbaukette: Von der Pflanze zum CO2

Der wichtigste Lieferant für den Bodenkohlenstoff sind Pflanzen. Abgestorbene Pflanzenteile wie Blätter, verdorrte Stängelteile oder Baumrinde, gelangen in den Boden. Dort werden sie von Bodenorganismen über komplexe Nahrungsnetze zu Bodenkohlenstoff ab- und umgebaut. Als Folge entstehen Humus, Torf oder andere organische Materialien. Den nächsten Schritt in der Abbaukette des Bodenkohlenstoffs, übernehmen vor allem die Mikroorganismen. Im Rahmen der Mineralisation zersetzen sei das organische Material weiter zu CO2.

Bis heute ist aber nicht klar, warum ein Teil des Kohlenstoffs im Boden schnell umgesetzt wird, während ein anderer für Jahrzehnte bis Jahrtausende im Boden verbleibt. Lange Zeit hat man angenommen, dass die Molekülstrukturen mancher Kohlenstoffverbindungen schwerer abbaubar sind als andere. Sie bleiben dadurch übrig und es kommt so zu einer selektiven Anreicherung dieser Verbindungen.

Inzwischen halten Forscher vor allem zwei Faktoren für die Anreicherung des Kohlenstoffs im Boden für verantwortlich: Zum einen sind manche Moleküle für die abbauenden Organismen und ihre Enzyme tatsächlich nur begrenzt zugänglich und können daher nicht oder nur sehr langsam abgebaut werden. Analysen am MPI für Biogeochemie haben beispielsweise ergeben, dass Böden, in denen ein großer Teil des Kohlenstoffs an Minerale gebunden vorliegt, weniger CO2 freisetzen. Damit spielt auch die Mineralzusammensetzung des Bodens eine besondere Rolle für die Kohlenstoffspeicherung.

Zum anderen aber kann auch ein Mangel an Nährstoffen oder Energiequellen das Wachstum der abbauenden Mikroorganismen beschränken. Dann fehlt es einfach an Bakterien, die den Humus zersetzen und deshalb wird weniger CO2 frei.

Marion Schrumpf. Susan Trumbore / Max-Planck-Institut für Biogeochemie
Stand: 29.06.2012

Wie kann man bestimmen, wie viel Kohlenstoff über Pflanzenteile und anderes Material jährlich in den Boden gelangt? Die Bestimmung der genauen Menge organischer Verbindungen ist eine echte methodische Herausforderung. Denn zurzeit gibt es keine einfachen Verfahren, mit denen sich beispielsweise die jährlich absterbende Wurzelmasse oder das von den Qurzeln so an den Boden abgegebene Material direkt bestimmen ließe.

Allerdings gibt es eine indirekte Möglichkeit, den Weg des Kohlenstoffs von der Pflanze in den Boden zu verfolgen: die Markierung der Pflanzen mit stabilen Isotopen. Forscher halten dabei Pflanzen für längere Zeit unter einer künstlichen Atmosphäre. In dieser haben sie das Verhältnis zweier Kohlenstoff-Isotope, 12C und 13C, im gesamten CO2-Anteil der Luft gegenüber den natürlichen Bedingungen verändert. Die Pflanzen nehmen das solcherart markierte CO2 aus der Luft auf und bauen den Kohlenstoff daraus in ihre Biomasse ein.

Durch die Messung der Isotopenverhältnisse im Bodenkohlenstoff können die Forscher dann den von den Pflanzen stammenden Anteil bestimmen. Gleichzeitig zeigt ihnen dies, dass dieser markierte Kohlenstoff relativ neu sein muss, er kann erst seit Beginn des Isotopenversuchs in den Boden gelangt sein. Wie schnell die Isotopenmarkierung der Pflanzen in verschiedenen Bodenorganismengruppen auftaucht, lässt außerdem darauf schließen, welche Kohlenstoffquellen diese Tiere oder Bakterien nutzen.

Dieses Verfahren setzen die Forscher des MPI für Biogeochemie zurzeit in einem umfangreichen Feldexperiment (Quasom-Projekt) ein. Noch sind die Messungen allerdings nicht abgeschlossen. Aber währenddessen nutzen die Wissenschaftler noch einen weiteren Trick, um den´m neuen und alten Kohlenstoff auf die Spur zu kommen…

Marion Schrumpf. Susan Trumbore / Max-Planck-Institut für Biogeochemie
Stand: 29.06.2012

Eine weitere Möglichkeit, neuen von altem Kohlenstoff zu unterscheiden ist ein weiteres Isotop des Kohlenstoffs, das 14C. Diese radioaktive Atomvariante hat natürlicherweise einen bestimmten Anteil im Kohlenstoff. Allerdings können bestimmte Ereignisse und Prozesse diesen Anteil verändern.

So erzeugten die oberirdischen Atombombentests in den 1960er-Jahren Zerfallsprodukte, die den 14C-Gehalt im CO2 der Luft auf das Doppelte erhöhten. Diese Anreicherung gelangte über die Pflanzen auch in den Boden, wo sie bis heute nachweisbar ist. Ein Vergleich der 14C-Konzentrationen in Bodenproben eines Standorts, die vor und nach den Atombombentests genommen wurden, zeigt daher, wie schnell und in welchem Umfang der alte Kohlenstoff in Bodenproben durch neuen ersetzt wurde.

Erstaunlich aktives Reservoir in der Tiefe

Mithilfe dieser 14C-Bestimmung stellten Susan Trumbore, Direktorin am Jenaer Max-Planck-Institut, und ihre Kollegen unter anderem fest, dass der Kohlenstoff in tieferen Bodenschichten sich sehr viel stärker verändert und am Kohlenstoffkreislauf teilnimmt als bisher angenommen. „Obwohl die Mehrheit der Wurzeln, Pflanzenausscheidungen und mikrobiellen Aktivität in den oeren 20 Zentimetern Boden liegen, gibt es klare Belege dafür, dass ein aktiver Kreislauf bis hinab an die Spitzen der Pflanzenwurzeln reicht“, erklärt die Forscherin 2009 in einer Veröffentlichung.

Das aber bedeute, dass diese kleinen, tiefen Reservoire, wenn man große Flächen und lange Zeiträume betrachte, erhebliche Kohlenstoffflüsse erzeugen können. „Bisherige Modelle basieren auf den oberen 20 Zentimeter des Bodens, sie könnten daher die Reaktion des Bodenkohlenstoffs auf das Klima oder eine Veränderung der Landnutzung signifikant unterschätzen“, so Trumbore.

Und noch eine Erkenntnis haben die Max-Planck-Forscher bereits aus ihren Untersuchungen gewonnen: Insgesamt nimmt das mittlere Kohlenstoffalter mit der Bodentiefe deutlich zu – je tiefer man hinabgeht, desto länger ist auch der Kohlenstoff bereits im Boden gebunden. Dafür ist vor allem der an Minerale gebundene Kohlenstoff verantwortlich, der im Unterboden deutlich älter ist als der freie, ungebundene Kohlenstoff. Die Änderung des mineralgebundenen Kohlenstoffalters mit der Tiefe scheint dabei von der Menge und Mobilität des gelösten organischen Kohlenstoffs im Boden abhängig zu sein. Weitere Experimente sollen zeigen, unter welchen Umständen der alte mineralisch gebundene Kohlenstoff wieder mobilisiert und abgebaut werden kann.

Marion Schrumpf. Susan Trumbore / Max-Planck-Institut für Biogeochemie
Stand: 29.06.2012

Der Klimawandel lässt die Temperaturen der Luft, aber auch der Erdoberfläche steigen. Wie bei nahezu allen chemischen Reaktionen und vielen biologische Prozessen beschleunigen sich mit größerer Wärme aber auch die Umsetzungsprozesse im Boden. Wenn aber verstärkt Kohlenstoffverbindungen in den Böden zerfallen, könnte dies für die Entwicklung des Klimas gravierende Folgen haben. Denn daraus ergibt sich eine positive Rückkopplung: Der Boden setzt bei steigenden Temperaturen verstärkt CO2 frei. Dieses Treibhausgas wiederum heizt die Atmosphäre zusätzlich auf. Als Folge wird noch mehr CO2 von den Böden abgegeben.

Allerdings ist die Temperatur nicht der einzige Faktor, der diesen Prozess beinflusst: Das Pflanzenwachstum und die Zersetzungsleistung der Bodenorganismen hängen auch von der Verfügbarkeit von Wasser und Nährstoffen ab. Zudem passen sich die Organismen und ihre Stoffwechselaktivität an die veränderten Umweltbedingungen an. Wie ein natürliches System wie der Boden auf Temperaturänderungen reagiert, ist daher nur schwer abzuschätzen und vorherzusagen.

Die Max-Planck-Forscher versuchen, dieser komplexen Reaktion in verschiedenen Feld- und Laborexperimenten auf den Grund zu gehen. Sie untersuchen unter anderem die Abhängigkeit der CO2-Freisetzung aus dem Boden von der Temperatur, der Bodenfeuchte, den Bodeneigenschaften sowie von der Zersetzergemeinschaft und ihrer Aktivität. Mit diesen Ergebnissen testen sie mathematische Modelle zur Simulation der Bodenprozess und entwickeln sie weiter.

Langzeitversuch in amerikanischen Wäldern

In einer der Experimente stellten die Wissenschaftler bereits fest, dass Waldböden mit steigenden Temperaturen weitaus mehr alten, schon seit Jahrzehnten im Boden gespeicherten Kohlenstoff als CO2 freisetzen. Für das gemeinsam mit US-amerikanischen Kollegen durchgeführte Projekt begasten sie Versuchsflächen in zwei Waldgebieten in den US-Bundesstaaten Wisconsin und North Carolina zehn Jahre lang mit markiertem CO2. Die Pflanzen nahmen dieses auf, bauten den Kohlenstoff in ihre Gewebe ein und mit der Zeit gelangte der Kohlenstoff über abgestorbene Pflanzenteile im Boden. Durch die Markierung konnten die Forscher diesen neu gebundenen Kohlenstoff von dem alten, bereits vor mehr als zehn Jahren eingebauten Kohlenstoff unterscheiden.

Die Wissenschaftler nahmen dann Bodenproben aus den obersten 15 Zentimetern des Waldbodens und prüften, wie viel neuer und alter Kohlenstoff im Humus enthalten war. In Laborexperimenten testeten sie zudem, wie viel Kohlendioxid diese Bodenproben bei verschiedenen Temperaturen abgaben. Das Ergebnis: 70 Prozent des Kohlenstoffs bis in 15 Zentimeter Tiefe war mehr als zehn Jahre alt. Dieser alte Kohlenstoff machte immerhin rund 30 Prozent des beim Erwärmen freigesetzten CO2 aus.

„Überraschenderweise nahm dabei die Zersetzung des alten Kohlenstoffs mit steigender Temperatur genauso – oder sogar noch stärker – zu, wie beim jungen Kohlenstoff“, sagt Studienleiterin Susan Trumbore. Diese Erkenntnis könnte nun helfen, Klimamodelle zu verbessern. Denn die bisherigen Modelle können noch nicht vorhersagen, wie viel Bodenkohlenstoff beispielsweise in den nächsten hundert Jahren freigesetzt wird.

Marion Schrumpf. Susan Trumbore / Max-Planck-Institut für Biogeochemie
Stand: 29.06.2012

Der Mensch ist heute ein großer Einflussfaktor für den Boden und seinen Kohlenstoffhaushalt. Denn

über die Auswahl der Pflanzen, durch Düngung und Bodenbearbeitung prägt er einerseits die Lebensbedingungen der Bodenmikroben. Das wiederum beinflusst, wie viel organisches Material diese zersetzen und als CO2 freigeben. Andererseits aber bestimmt die Landnutzung auch, wie viel Kohlenstoff über die Biomasse in den Boden hineingelangt.

Werden beispieIweise Wäldern und Wiesen zu Äckern umgewandelt oder Feuchtgebiete entwässert und als Weide- oder Ackerfläche genutzt, geben diese Böden mehr Teibhausgas CO2 an die Atmosphäre ab. Gleichzeitig sinkt der Gehalt des in ihnen gespeicherten Kohlenstoffs. Wie genau sich unterschiedliche Bewirtschaftungsformen und Artengemeinschaften von Wald- und Grünlandstandorten auf die Kohlenstoffspeicherung im Boden auswirken, untersuchen die Forscher des Jenaer MPI zurzeit im Rahmen von zwei großen deutschen Experimenten (Biodiversitäts-Exploratorien und The Jena Experiment). Neben dem Einfluss von Vegetation und Düngung ermitteln sie dabei auch die Rolle der Bodenorganismen für Umsetzungsprozesse.

Äcker geben mehr CO2 ab als sie aufnehmen

Aktuelle Forschungsergebnisse zeigen bereits, dass Wälder, Wiesen und Weiden in Europa derzeit Kohlenstoffsenken darstellen. Sie nehmen mehr Kohlenstoff auf als sie abgeben. Ackerstandorte und Moore hingegen sind schwache Quellen – sie geben etwas mehr CO2 ab als sie aufnehmen. Diese Ergebnisse basieren auf Messungen des Gas-Austauschs zwischen Ökosystemen und der Atmosphäre sowie auf Modellrechnungen.

Der direkte Nachweis der Änderungen in den Bodenvorräten und in der Biomasse steht allerdings noch aus. Die hohe räumliche Variabilität der Bodeneigenschaften, die von der Oberfläche nicht einfach sicht- und messbar ist, erschwert die direkten Untersuchungen. Um dennoch die kleinen Änderungen in den großen vorhandenen Vorräten nachweisen zu können, müssen sehr große Probenzahlen über einen längeren Zeitraum von zehn oder mehr Jahren untersucht werden.

Europaweite Inventur des Bodenkohlenstoffs

Im Jahr 2004 wurde im Rahmen des EU-Projekts CarboEurope an zwölf europäischen (FLUXNET-) Standorten unterschiedlicher Landnutzung eine umfangreiche Erstinventur der Bodenkohlenstoffgehalte durchgeführt. Dafür entnahmen die Forscher an 100 Stellen pro Standort Proben aus den oberen 60 Zentimetern Tiefe des Bodens und bestimmten darin den Gehalt an organischem Kohlenstoff. Diese Messungen wiederholten sie mehrfach zu unterschiedlichen Zeiten.

Das Ergebnis: Wie schnell eine veränderte Landnutzung sich auf den Kohlenstoffhaushalt des Bodens auswirkt, ist sehr unterschiedlich. Es hängt unter anderem von der Variationsbreite inerhalb des Bodens ab: Bei Ackerland stellten die Forscher nur vergleichsweise geringe Differenzen im Gehalt an organischem Kohlenstoff zwischen ihren 100 Probenstellen fest. Deutlich größer war dagegen die Variationsbreite bei Wiesen und Wäldern. „Insgesamt deuten die allgemeinen Trends darauf hin, dass Veränderungen sich etwa zwei bis 15 Jahre später nachweisen lassen“, schreiben Marion Schrumpf und ihre Kollegen. Derzeit werden diese Flächen daher nach und nach wiederbeprobt, um genauere Ergebnisse zu bekommen.

Marion Schrumpf. Susan Trumbore / Max-Planck-Institut für Biogeochemie
Stand: 29.06.2012