Kohlenstoffspeicherung im Boden: Wie lässt sich Klimawandel abmildern?
Durch landwirtschaftliche Nutzung haben viele Böden bereits große Mengen Kohlenstoff an die Atmosphäre verloren. Um den Klimawandel abzumildern, braucht es den Boden jedoch als Kohlenstoffspeicher. Forschende haben untersucht, welche Voraussetzungen für eine optimale Speicherung gegeben sein müssen.
Hier wird einer der 3.500 Behälter mit kohlenstofffreiem Mineral vergraben.
Foto: ngo Schöning / MPI-BGC
Kohlenstoffspeicherung im Boden kann eine wichtige Rolle im Kampf gegen den Klimawandel spielen. Das gilt insbesondere für organische Bodensubstanz, die an Minerale gebunden ist. Allerdings ist durch landwirtschaftliche Nutzung bereits eine große Menge Kohlenstoff in die Atmosphäre gelangt. Ein Forschungsteam, zu dem Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Biogeochemie und der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg gehören, hat untersucht, welche Faktoren die Bildung von mineralassoziierten organischen Substanzen beeinflussen. Ihre in „Global Change Biology“ veröffentlichte Studie stellt fest, dass zwar die Art der Minerale hauptsächlich für die Bildung dieser Substanzen verantwortlich ist, jedoch auch Landnutzung und Bewirtschaftungsmethoden einen Einfluss haben.
Sieben Prozent des atmosphärischen CO2 werden in Böden umgesetzt
Organischer Kohlenstoff ist entscheidend für Bodenfruchtbarkeit und Nahrungsmittelproduktion. Er spielt zudem eine zentrale Rolle für das Klima, da Böden den größten terrestrischen Kohlenstoffspeicher darstellen. Jährlich werden etwa sieben Prozent des atmosphärischen CO2 in Böden umgesetzt. Durch landwirtschaftliche Nutzung haben jedoch viele Böden bereits erhebliche Kohlenstoffmengen an die Atmosphäre abgegeben.
Um den Klimawandel abzumildern, ist es wichtig, Methoden zu entwickeln, die weitere Kohlenstoffverluste verhindern und die Speicherfähigkeit des Bodens wiederherstellen. Insbesondere der an Minerale gebundene Kohlenstoff, der stabiler ist und weniger sensibel auf Umwelteinflüsse reagiert, spielt dabei eine Schlüsselrolle.
Die Bildung dieses mineralgebundenen organischen Materials (MAOM) ist ein zentraler Prozess im globalen Kohlenstoffkreislauf. Trotz intensiver Forschung ist es jedoch nach wie vor unklar, wie Bodenmineralzusammensetzung und Faktoren wie Landnutzung oder Bewirtschaftungsintensität die MAOM-Entwicklung beeinflussen.
3.500 Behälter mit kohlenstofffreien Mineralen vergraben
Um die Forschungslücke zu schließen, grub das Forschungsteam über 3.500 durchlässige Behälter mit kohlenstofffreien Mineralen in Böden ein. Das machten sie an 300 Standorten, aufgeteilt in Wald und Grünland. Diese Container enthielten entweder Goethit, ein Eisenoxid, oder Illit, ein silikatisches Tonmineral. Die Standorte waren Teil der drei deutschlandweit verteilten Untersuchungsgebiete des DFG-geförderten „Biodiversitätsexploratorien“-Programms.
Nach einer fünfjährigen Einwirkzeit analysierte ein Team unter Leitung von De Shorn Bramble vom Max-Planck-Institut für Biogeochemie in Jena und Susanne Ulrich von der Martin-Luther-Universität Halle die Kohlenstoffanreicherung auf den Mineralen. Sie entdeckten, dass Goethit unabhängig von der Landnutzungsart viermal mehr organischen Kohlenstoff bindet als Illit. Dieses Ergebnis zeigt, dass die Mineralzusammensetzung maßgeblich die Geschwindigkeit und Menge der MAOM-Bildung in Böden beeinflusst.
Erstmals Kohlenstoffspeicherpotenzial zweier Mineralgruppen ermittelt
Das Forschungsteam erläutert die in fünf Jahre Feldforschung gewonnenen Erkenntnisse folgendermaßen: „Das meiste, was wir über die Rolle von Oxiden und silikatischen Tonmineralen wissen, zwei wichtigen Mineralgruppen in Böden, stammt aus Laborstudien. Da diese beiden Mineralgruppen in natürlichen Böden als Mischung vorliegen, ist es nicht möglich, ihre Rolle bei der Bildung von MAOM eindeutig zu bestimmen“, erklärt Susanne Ulrich, Doktorandin an der MLU.
Sie fährt fort: „Mit unserem Versuchsaufbau konnten wir nun zum ersten Mal das Kohlenstoffspeicherpotenzial dieser beiden Mineralgruppen unter Feldbedingungen direkt vergleichen. Unsere Ergebnisse zeigen, dass nicht nur die Existenz und die Größe der Mineraloberfläche, sondern die jeweiligen Oberflächeneigenschaften für die Bildung von MAOM ausschlaggebend sind. Daher haben Oxide ein viel größeres Potenzial zur Speicherung von Kohlenstoff als silikatische Tonminerale“.
Unterschiedliche Faktoren beeinflussen MAOM-Bildung
Die Forschung zeigt, dass die MAOM-Bildung sensibler auf menschliche Eingriffe reagiert als bisher angenommen. Obwohl man ursprünglich dachte, dass MAOM über Jahrzehnte hinweg stabil bleibt, offenbarte die Studie Veränderungen schon nach nur fünf Jahren. In Wäldern wurde beobachtet, dass die Intensität der Holzernte die MAOM-Bildung negativ beeinflusst. Zusätzlich spielt auch die Art der dort wachsenden Bäume eine Rolle.
Im Gegensatz dazu fördern in Grünlandgebieten sowohl eine höhere Pflanzenproduktivität als auch eine größere Pflanzenvielfalt die MAOM-Bildung. Diese Faktoren werden ihrerseits durch Düngemaßnahmen beeinflusst, wobei Dünger zwar die Pflanzenproduktivität steigert, aber gleichzeitig die Vielfalt der Pflanzenarten reduziert.
Signifikante Auswirkungen der Landnutzung und -bewirtschaftung
De Shorn Bramble, Doktorand am Max-Planck-Institut für Biogeochemie, veranschaulicht die neuen Ergebnisse: „Wir beobachteten signifikante Auswirkungen der Landnutzung und -bewirtschaftung auf die MAOM-Bildung, nachdem wir kohlenstofffreie Minerale nur fünf Jahre lang den Umgebungsbedingungen im Boden ausgesetzt hatten. Diese Veränderungen finden wahrscheinlich auch in natürlichen Böden statt, sind aber mit herkömmlichen Methoden nur schwer erfassbar. Unser experimenteller Ansatz und die daraus gewonnen Erkenntnisse können helfen vorherzusagen, wie MAOM auf menschliche Aktivitäten reagiert“.
Der Forscher hebt weiterhin hervor, dass die Zusammensetzung der Mineralien in Böden zwar ein entscheidender Faktor für das Potenzial der Kohlenstoffspeicherung ist, aber die tatsächliche Nutzung des Bodens bestimmt, wie effektiv dieses Potenzial genutzt wird. Um die Bildung von mineralassoziiertem organischen Kohlenstoff (MAOM) in Böden noch präziser vorhersagen zu können, betont der Autor die Notwendigkeit, zukünftige Forschungen auf das Zusammenspiel zwischen den Bodenmineralien, der Menge und chemischen Beschaffenheit der in den Boden eingebrachten Pflanzenreste sowie der dort vorhandenen mikrobiellen Zersetzer zu konzentrieren.
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