Die toten Äste und Blätter unter Ihren Füßen verbergen tatsächlich das große Geheimnis des globalen Wandels!

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Zhang Yunyu und Sun Tao (Institut für Angewandte Ökologie, Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Hersteller: China Science Expo

Anmerkung des Herausgebers: Um das Geheimnis der wissenschaftlichen und technologischen Arbeit zu lüften, hat Chinas Spitzentechnologieprojekt eine Artikelserie mit dem Titel „Ich und meine Forschung“ gestartet und Wissenschaftler dazu eingeladen, eigene Artikel zu schreiben, ihre wissenschaftlichen Forschungserfahrungen zu teilen und eine wissenschaftliche Welt zu schaffen. Folgen wir den Entdeckern an der Spitze von Wissenschaft und Technologie und begeben wir uns auf eine Reise voller Leidenschaft, Herausforderungen und Überraschungen.

Himmel und Erde sind dunkel und gelb und das Universum ist riesig und grenzenlos. Vor etwa 3,8 Milliarden Jahren entstand das erste Leben auf der Erde. Nach Milliarden von Jahren, vor etwa 2,4 Millionen Jahren, begann Homo habilis, Steinwerkzeuge zu verwenden, und so entstand der Mensch.

Der Rückblick auf die weite Reise des Lebens ist auch ein Überblick über die Geschichte des Zusammenlebens von Leben und Umwelt. Nachdem wir die Geburt, Evolution und Zerstörung von Millionen Lebewesen kennen, können wir nicht anders, als uns zu fragen: In welcher Umwelt leben wir? Was ist Natur? Welche Beziehung haben wir zur Natur? Wie sollen wir mit der Natur auskommen?

Winterschneelandschaft in Daxing'anling, Provinz Heilongjiang (kaltgemäßigter Wald)

(Bildquelle: Veer-Fotogalerie)

Die Beziehung zwischen Mensch und Natur wird seit der Antike erforscht. Aus der langjährigen Beobachtung von Wind, Frost, Regen, Schnee, Sonnenauf- und -untergang sowie Mond und Sonne entstand das bekannte „Lied der vierundzwanzig Sonnenbegriffe“. Doch das Klima ist nicht statisch, insbesondere heute, wo der globale Wandel immer bedeutender wird.

Seit der industriellen Revolution im 18. Jahrhundert haben viele vom Menschen verursachte Probleme, wie etwa der massive Einsatz von Stickstoffdüngern, die Umweltverschmutzung durch Abfälle, die Zunahme von Treibhausgasen und die Bodenverschmutzung, die Umwelt, in der wir leben, stark beeinträchtigt. „Wie können wir die Natur, von der wir abhängig sind, im Kontext des globalen Wandels schützen?“ ist das Problem, dem sich unsere Generation stellen muss.

Zersetzung von Streu

Lichtenergie der Sonne und Kohlendioxid (CO₂) in der Luft werden durch Photosynthese in Pflanzenblättern in Stärke umgewandelt, und von da an gelangen Energie und Materie in das Ökosystem; Wenn der Herbst kommt, schütteln die Bäume abgestorbene Äste und Blätter (Laub) ab, die als Nahrung für Bodenorganismen dienen und von Tieren, Pilzen und Bakterien im Boden zersetzt werden. Energie geht nach und nach verloren, ein Teil der Materie zirkuliert weiter und ein Teil der Materie wird unter der Erde eingeschlossen.

In gewissem Sinne ist die Zersetzung der „umgekehrte Prozess“ der Photosynthese. Ohne Zersetzung wäre unser Planet mit verschiedenen biologischen Überresten gefüllt und der Energiefluss und der Materialkreislauf würden stagnieren. Wenn die Zersetzungsrate zunimmt, wird der im Boden gespeicherte Kohlenstoff als CO2 freigesetzt, was den Treibhauseffekt und die globale Erwärmung verstärkt.

Ozeane, Flüsse, Grasland, Wüsten, Sümpfe ... Unter den komplexen Ökosystemen der Erde sind Wälder die komplexesten, vollständigsten und „widerstandsfähigsten“ Ökosysteme. Die gemäßigten Waldböden der nördlichen Hemisphäre speichern große Mengen Kohlenstoff. Dies stellt einen riesigen Kohlenstoffpool dar, der nicht ignoriert werden kann.

Bunte tote Blätter und Zweige

(Bildquelle: Veer-Fotogalerie)

Nach vielen Langzeitexperimenten zur Streuzersetzung ist man in der Wissenschaft mittlerweile weitgehend davon überzeugt, dass Klima, Zersetzer und Streuqualität die Hauptfaktoren für die Zersetzungsrate von Streu sind. Auf dieser Grundlage wurde das „Streuzersetzungsdreieck“ zur Erklärung des Zersetzungsmechanismus von Streu vorgeschlagen.

Unter den Klimafaktoren sind Temperatur und Niederschlag die Hauptursachen für die Zersetzung auf globaler Ebene. Zu den Zersetzern zählen Bakterien, Pilze und Bodentiere. Je aktiver der Zersetzer ist, desto schneller ist die von ihm gesteuerte Zersetzungsrate. Zur Qualität von Streu zählen weitere Inhaltsstoffe, die sich grob in die chemischen Eigenschaften der Streu (Art und Gehalt chemischer Substanzen) und strukturellen Eigenschaften (wie etwa Blattform) unterteilen lassen.

Unter ihnen ist der Stickstoffgehalt ein sehr wichtiger Indikator. Da die Zersetzer im Wald die zum Überleben notwendige Energie und den Stickstoff hauptsächlich durch die Zersetzung von Laub gewinnen, glaubte man lange Zeit, dass die Zersetzungsrate umso höher sei, je höher der Stickstoffgehalt im Laub sei. Diese Schlussfolgerungen basieren größtenteils auf kurzfristigen Experimenten, aber die Zersetzung von Streu ist ein langsamer Prozess, der Jahre bis Jahrzehnte dauert.

Gleichzeitig gelangen im Zuge des aktuellen globalen Wandels durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe und den übermäßigen Einsatz von Düngemitteln große Mengen Stickstoff in das Ökosystem, was den Stickstoffablagerungsprozess der Erde beschleunigt und sich auch auf den Stickstoffgehalt von Pflanzen und die Qualität von Streu auswirken kann, was wiederum die Zersetzungsrate beeinflusst.

Ein 10-jähriges Streuzersetzungsexperiment in einem gemäßigten Wald

Der Stickstoffgehalt der Laubstreu ist bei verschiedenen Baumarten unterschiedlich. Aus diesem Grund sammelten Forscher unseres Shenyang Institute of Applied Ecology Streu von 62 Arten von Gehölzen in Chinas gemäßigten Wäldern und führten ein zehnjähriges Feldzersetzungsexperiment durch. Während der ersten fünf Jahre des Experiments zersetzte sich Streu mit höherer Stickstoffkonzentration schneller als Streu mit niedrigerer Stickstoffkonzentration.

Abgefallene Blätter

(Bildquelle: Veer-Fotogalerie)

Ab dem sechsten Jahr kehrte sich dieses Muster jedoch um und die Zersetzungsrate der stickstoffreichen Einstreu nahm allmählich ab. Am Ende der Zersetzung war der durchschnittliche Streurückstand stickstoffreicher Arten 1,78-mal so groß wie der stickstoffarmer Arten. Dies deutet darauf hin, dass Streu mit geringerem Stickstoffgehalt einen höheren Zersetzungsgrad aufweist.

Die Rückstände zersetzender Mikroorganismen können durch Aminozucker ausgedrückt werden. Um die möglichen Gründe für die obigen Ergebnisse und die Aktivitäten der Zersetzer in diesem Prozess zu untersuchen, haben wir in diesem Experiment Isotope verwendet, um die Aminozucker in der Streu zu markieren. Ab dem sechsten Jahr korrelierte der Restmassewert der Einstreu positiv mit der Aminozuckerkonzentration.

Die beiden oben genannten Ergebnisse können beschreiben, was während des Experiments geschah: Streu mit hohem Stickstoffgehalt zog viele mikrobielle Zersetzer an, sodass sie im Frühstadium schnell zersetzt wurde; mit fortschreitender Zersetzung sammelten sich zahlreiche mikrobielle Produkte und Rückstände auf der stickstoffreichen Streu, wo sie fest gebunden wurden und eine weitere Zersetzung verhinderten; Daher wurde der Versuchsprozess umgekehrt und die Zersetzung der Streu mit hohem Stickstoffgehalt war unvollständiger als die der Streu mit niedrigem Stickstoffgehalt.

Gilt die obige Regel auch für dieselben Baumarten gemäßigter Wälder?

Wir wählten zwei Baumarten mit sehr unterschiedlichen Blattqualitäten (Acer truncatum und Quercus mongolica) aus und führten ein sechsjähriges Experiment zur Stickstoffdüngung der Blätter durch. Während der sechsjährigen Zersetzungsphase beider Baumarten zersetzten sich mit stickstoffangereicherten Mitteln behandelte Blätter schneller; aber nach drei Jahren begann sich die Zersetzungsrate dieser Blätter zu verlangsamen. Dies lässt darauf schließen, dass sich die Beziehung zwischen Stickstoffkonzentration und Zersetzung auch innerhalb derselben Baumart in gemäßigten Zonen im Laufe der Zeit umkehren kann.

Acer pictum subsp. Mono

(Bildquelle: China Plant Image Library)

Mongolische Eiche (Quercus mongolica)

(Bildquelle: China Plant Image Library)

Alle oben genannten Experimente wurden jedoch in meinem Land durchgeführt. Gilt diese Regel also auch für gemäßigte Wälder auf der ganzen Welt?

Gemäßigter Wald im Corcovado-Nationalpark, Chile

(Bildquelle: Veer-Fotogalerie)

Wir sammelten 32 veröffentlichte Langzeit-Zersetzungsexperimente und erstellten eine Datenbank mit 437 Messungen von 120 Arten. Dabei prüften wir zum ersten Mal, ob es eine allgemeine Beziehung zwischen dem Stickstoffgehalt der Laubstreu und der Restmasse der Laubstreu sowohl in borealen als auch in gemäßigten Wäldern gibt.

Der Stickstoffkonzentrationsbereich des Streumaterials in der Datenbank unterscheidet sich um etwa das 11-fache, die Ergebnisse zeigen jedoch, dass der Stickstoffgehalt des Streumaterials verschiedener Baumarten immer noch positiv mit der Restmasse des Streumaterials korreliert. Dies bedeutet, dass in borealen und gemäßigten Wäldern weltweit die durch Zersetzung entstehende Restmasse der Streu umso größer ist, je höher der Stickstoffgehalt der Streu ist.

Zusammenhang zwischen Stickstoffgehalt der Streu und Zersetzungsrate kann umgekehrt sein

Im modernen Zeitalter der Informationsrevolution verwenden Wissenschaftler verschiedene Modelle, um Vorhersagen zu treffen, beispielsweise für tägliche Wettervorhersagen, die möglichen Auswirkungen der Stadtentwicklung auf Land, die Bewirtschaftung von Landwirtschaft und Viehzucht, Klimasimulationen und sogar Simulationen der Erde selbst. Doch die Modelle sind nicht ganz genau. Voraussetzung für die Anwendung eines Modells sind ein wissenschaftlich fundierter Rahmen, optimale Parametereinstellungen und ausreichend Daten.

In vielen bestehenden Ökosystemmodellen und Erdsystemmodellen wird die Beziehung zwischen dem Stickstoffgehalt der Streu und der Zersetzungsrate häufig als positive proportionale Beziehung bestimmt. Unsere Forschungsergebnisse zeigen jedoch, dass sich dieser positive proportionale Zusammenhang im Laufe der Zeit umkehrt.

Umweltfreundliche Welt, grünes Weltkonzept

(Bildquelle: Veer-Fotogalerie)

Möglicherweise müssen wir relevante Parameter ändern, um die stufenweisen Auswirkungen des Stickstoffgehalts der Streu auf die Zersetzungsraten in relevanten Studien zu berücksichtigen, da die Vorhersage der langfristigen Zersetzungsdynamik auf Grundlage von Faktoren, die die frühe Zersetzung beeinflussen, irreführend sein kann. Die gegensätzlichen Auswirkungen des Stickstoffgehalts in der Streumatrix auf verschiedene Zersetzungsstadien sind von entscheidender Bedeutung für unser Verständnis und für verbesserte Vorhersagen des zukünftigen Kohlenstoffkreislaufs terrestrischer Ökosysteme unter Bedingungen zunehmender atmosphärischer Stickstoffablagerung, sich ändernder klimatischer Bedingungen und anderer Umweltveränderungen.

Vielleicht stellt jemand Fragen. Ähnlich wie Kohlenstoff kommt Stickstoff in der Natur bekanntermaßen in organischem und anorganischem Zustand vor. Welche Art von Experiment kann also eine „echte“ Stickstoffablagerung simulieren? Hat die Unterscheidung zwischen organischem und anorganischem Stickstoff einen Einfluss auf die Ergebnisse? Wie viele Wege hat Stickstoff im Zersetzungsprozess? Interagiert es mit anderen Elementen?

Soweit wir sehen können, ist es nur noch eine kurze Strecke. Aber wir können immer noch sehen, dass hinter dem dichten Nebel die einsame Wahrheit auf diejenigen wartet, die Ambitionen haben.

Quellen:

[1] MA Bradford, B. Berg, DS Maynard, WR Wieder, SA Wood, Die dominanten Faktoren der Streuzersetzung verstehen [J]. Das Journal of Ecology, 2016, 104, 229-238.

[2] AM Turing. Computermaschinen und Intelligenz [J]. Mind, 1950, 49: 433-460.