Gibt es in Wäldern einen Zusammenhang zwischen Stickstoff und Kohlenstoff? Die Hassliebe zwischen Stickstoff und Kohlenstoff aufgedeckt

Der Anstieg der Kohlendioxidkonzentration in der Atmosphäre durch menschliche Aktivitäten (einschließlich der Verbrennung fossiler Brennstoffe, Landnutzungsänderungen usw.) ist heute ein wichtiges wissenschaftliches Thema und hat breite gesellschaftliche Aufmerksamkeit erregt.

Sowohl das Pariser Abkommen als auch der IPCC-Bericht weisen darauf hin, dass die wirksame Eindämmung des Anstiegs des Kohlendioxidgehalts in der Atmosphäre eine der wichtigsten Maßnahmen zur Bekämpfung des Klimawandels ist. Es wird auch betont, dass wir gründlich verstehen und erforschen müssen, woher der „Kohlenstoff“ in der Atmosphäre kommt (Kohlenstoffquelle) und wohin er geht (Kohlenstoffsenke).

Boden: Der größte Kohlenstoffspeicher in terrestrischen Ökosystemen

Wenn es um die Absorption von Kohlendioxid geht, denkt man zuerst an Pflanzen. Pflanzenblätter nehmen Kohlendioxid durch Photosynthese auf und geben es durch Atmung ab.

Das stimmt. Darüber hinaus beeinflussen Böden aber auch die CO2-Konzentration in der Atmosphäre.

Der Boden ist der größte Kohlenstoffspeicher in terrestrischen Ökosystemen und etwa die Hälfte des organischen Kohlenstoffs im Boden ist in Wäldern gespeichert. Tropische (einschließlich subtropischer) Wälder spielen eine wichtige Rolle im globalen Waldkohlenstoffkreislauf, da sie für 78 % der weltweiten Waldkohlenstoffemissionen und 55 % der Kohlenstoffaufnahme verantwortlich sind.

Dies bedeutet, dass selbst kleine Änderungen der Kohlenstoffvorräte im Waldboden erhebliche Auswirkungen auf die Kohlendioxidkonzentration in der Atmosphäre haben können.

Welchen Einfluss hat der Boden auf die Kohlenstoffkonzentration in der Atmosphäre?

Im Wald atmen nicht nur die Pflanzen, sondern auch der Boden. Die Bodenatmung hat zwei Hauptquellen: eine ist die anaerobe Atmung durch Mikroorganismen und die andere ist die autotrophe Atmung durch Pflanzenwurzeln. Diese beiden Teile der Atmung sind wichtige Kanäle für die Kohlenstoffemissionen im Boden.

Bodenatmung (Bildquelle: Autor)

Gibt es in Wäldern einen Zusammenhang zwischen Stickstoff und Kohlenstoff?

Heutzutage führen menschliche Aktivitäten nicht nur zu einem Anstieg der Kohlendioxidkonzentration in der Atmosphäre, sondern auch zu einer Zunahme der Stickstoffablagerungen in der Atmosphäre.

Seit Mitte des 20. Jahrhunderts hat die Freisetzung reaktiver Stickstoffverbindungen in die Atmosphäre durch menschliche Aktivitäten rapide zugenommen. Diese stickstoffhaltigen Substanzen gelangen durch Staubniederschlag (trockene Deposition) in Land und Gewässer oder lösen sich im Regenwasser (nasse Deposition) auf , was Auswirkungen auf die Boden- und Wasserumwelt, natürliche Ökosysteme, die Artenvielfalt usw. hat.

Laut der Simulation und Bewertung der globalen Stickstoffablagerung stieg die atmosphärische Stickstoffablagerungsrate von 1984 bis 2016 um durchschnittlich 8 %.

China ist eine der drei Regionen der Welt mit der stärksten Stickstoffbelastung (Europa, Nordamerika und China). Obwohl sich Chinas Stickstoffdepositionsrate stabilisiert hat und durch Verbesserungen der Managementpolitik und -technologie zu sinken begonnen hat, beträgt die Stickstoffdeposition in einigen Gebieten immer noch 30–40 kg N pro Hektar und Jahr.

Reaktiver Stickstoff, der durch menschliche Aktivitäten in den letzten 60 Jahren entstanden ist (Bildquelle: Referenz [7])

Welche Auswirkungen haben langfristig hohe Stickstoffeinträge auf Waldökosysteme oder Kohlenstoffspeicher im Boden? Mit anderen Worten: Welche Beziehung besteht zwischen zwei verschiedenen Elementen im Wald: Stickstoff und Kohlenstoff?

Stickstoff ist ein wichtiges Nährstoffelement für Lebewesen und zugleich Grundstoff für die Proteinsynthese. Im Gegensatz zu Ackerland, das Nährstoffe wie Stickstoff durch künstliche Düngung erhalten kann, erhalten Wälder Stickstoff hauptsächlich durch atmosphärische Stickstoffablagerung oder biologische Stickstofffixierung.

Wenn Waldpflanzen und Mikroorganismen ausreichend Stickstoff zur Verfügung haben, können sie schnell wachsen und Biomasse (Kohlenstoff) ansammeln. Darüber hinaus können Pflanzen in Form von abgefallenen Blättern oder Wurzelsekreten weiteren Kohlenstoff in den Boden transportieren und so die Kohlenstoffsenke des Bodens erhöhen.

Die Stickstoffmenge beeinflusst auch die Atmung der Waldorganismen. Ausreichend Stickstoff wirkt sich positiv auf die Atmung der Pflanzen und den mikrobiellen Abbau aus und setzt dabei Kohlendioxid frei. Es zeigt sich, dass die Stickstoffmenge in gewissem Maße die Aufnahme und Abgabe von Kohlenstoff durch Wälder bestimmt.

Stickstoff- und Kohlenstoffflüsse in Wäldern (Bildquelle: eigene Autorin)

Ist für lebende Organismen eine höhere Stickstoffzufuhr besser?

Tatsächlich ist dies nicht der Fall. Kurzfristig kann die Stickstoffzufuhr das „Nahrungs- und Kleidungsproblem“ bis zu einem gewissen Grad lösen, eine langfristige und kontinuierliche Stickstoffzufuhr wird jedoch andere „Nebenwirkungen“ hervorrufen.

So führt beispielsweise zu viel Stickstoff, der in den Wald gelangt, zu einem niedrigen relativen Gehalt anderer Nährstoffe in Pflanzen und Bodenmikroorganismen (Ernährungsungleichgewicht), fördert mikrobielle Nitrifikationsreaktionen (Freisetzung von Wasserstoffionen) und verschlimmert die Bodenversauerung, erhöht die Emissionen stickstoffhaltiger Treibhausgase, verringert die Artenvielfalt und beeinträchtigt sogar die Boden- und Grundwasserqualität.

Wie können wir also feststellen, ob sich Stickstoffablagerungen positiv oder negativ auf die Kohlenstoffemissionen im Waldboden auswirken?

Der Zusammenhang zwischen atmosphärischer Stickstoffdeposition, pflanzlicher Stickstoffaufnahme, Stickstoffumwandlung im Boden und Versauerung (Bildquelle: Referenz [6])

Einerseits müssen wir uns den Status des Waldstickstoffs ansehen , da der Stickstoffstatus verschiedener Wälder unterschiedlich ist.

Für Wälder, die bereits „stickstoffarm“ sind, ist die Stickstoffablagerung zweifellos ein „Geschenk des Himmels“. Das Wachstum von Bodenmikroorganismen und unterirdischen Pflanzenwurzeln wird beschleunigt (Zunahme der Biomasse und der Kohlenstoffsenken), gleichzeitig wird aber auch die Bodenatmung gefördert (Zunahme der Kohlenstoffemissionen). Für Wälder, die bereits „stickstoffreich“ sind, kann die Wirkung der Stickstoffablagerung jedoch nur ein Tropfen auf den heißen Stein sein und hat nur geringe Auswirkungen auf den Kohlenstoffgehalt und die Atmung des Bodens. Bei unsachgemäßer Handhabung kann es sogar den gegenteiligen Effekt haben und die Bodenatmung hemmen.

Andererseits ist es notwendig, die Dauer der Stickstoffablagerung zu beurteilen , da es sich bei der Stickstoffablagerung im Wald um einen kumulativen Prozess handelt.

Kurzfristig kann die Stickstoffablagerung für viele Wälder von Vorteil sein, da sie die biologische Atmung des Bodens fördert. Unter dem Einfluss langfristiger Stickstoffablagerungen reichert sich Stickstoff jedoch allmählich in Pflanzen und im Boden an. Wenn der kritische Punkt des Stickstoffs erreicht ist , treten negative Auswirkungen auf und die Bodenatmung wird schließlich schwächer.

Es scheint, dass zwar geringe und mäßige Stickstoffablagerungen für das biologische Wachstum von Vorteil sind, sie aber auch die Kohlenstoffemissionen durch die Bodenatmung fördern. Im Gegenteil: Übermäßige Stickstoffablagerungen hemmen das biologische Wachstum, verlangsamen aber auch die Kohlenstoffemissionen im Boden.

Kohlenstoffregulierung durch Stickstoff: ein 13-jähriges Experiment

Da Dauer und Zustand der Stickstoffablagerung die Kohlenstoffemissionen der Wälder beeinflussen, wollen wir uns die Reaktion der Wälder unter extremen Bedingungen ansehen (d. h. die Kohlenstoffemissionen im Boden stickstoffreicher Wälder in Umgebungen mit langfristiger Stickstoffablagerung).

Eine 13-jährige simulierte Stickstoffablagerungsstudie, die an der Dinghushan National Field Forest Station in Guangdong durchgeführt wurde, beantwortete diese Frage.

Feldkontroll-Testplattform zur Simulation der Stickstoffablagerung (Bildquelle: Eigenbau des Autors)

Durch die Simulation der langfristigen Stickstoffablagerung zeigte die Bodenatmung stickstoffreicher Wälder eine dreistufige Reaktion: „keine Veränderung – Abnahme – keine Veränderung“.

In der ersten Phase, nach der Stickstoffeinlagerung im Boden, verändern sich zunächst die physikalischen und chemischen Eigenschaften des Bodens. Dies spiegelt sich hauptsächlich in der Zunahme der anorganischen Stickstoffkonzentration im Boden, der Beschleunigung der Stickstoffmineralisierung und -nitrifikation im Boden sowie dem Auftreten von Stickstoffauswaschung und -verlust wider.

Im Gegensatz dazu haben sich die Struktur der Pflanzengemeinschaft (Vielfalt, Reichtum, Feinwurzelbiomasse usw.) und die Zusammensetzung der mikrobiellen Bodengemeinschaft (Bakterien- und Pilzbiomasse usw.) nicht wesentlich verändert. Daher gab es keine signifikanten Veränderungen bei der anaeroben Atmung der Bodenmikroorganismen und der autotrophen Atmung der Pflanzenwurzeln.

Dies zeigt, dass die Auswirkungen früher Stickstoffablagerungen auf stickstoffreiche Wälder nicht signifikant sind.

Auswirkungen von Stickstoffeinträgen auf den Boden (Bildquelle: Eigenanfertigung des Autors)

Allerdings hat alles seine Grenzen. Nach dem Eintritt in die zweite Phase beginnen sich Pflanzen und Mikroorganismen „unwohl“ zu fühlen .

Die Stickstoffmineralisierungs- und Nitrifikationsraten im Boden begannen nachzulassen, was darauf hindeutet, dass die Stickstoffversorgung des Bodens möglicherweise den Stickstoffbedarf des Ökosystems überstieg. Stickstoffablagerungen verschlimmern die Versauerung der Waldböden und führen zu einer Reihe von „Nebenwirkungen“, darunter: verringerter Pflanzenreichtum, verringerte Vielfalt, geschädigte photosynthetische physiologische Funktionen der Pflanzen, verringerte Biomasse der unterirdischen Feinwurzeln der Pflanzen, geschwächte Wurzelatmung und vermehrtes Wurzelsterben.

Gleichzeitig nahm auch die Zahl der Mikroorganismen im Untergrund ab, die mikrobielle Funktion des Kohlenstoffabbaus wurde geschwächt und auch die mikrobielle Atmung wurde gehemmt.

Während dieser Phase wurden die Gesamtatmungsrate und die Kohlenstoffemissionsrate des Bodens erheblich reduziert.

Waldschädigung (Bildquelle: Veer Gallery)

Überraschenderweise hielt dieser „Nebeneffekt“ der Stickstoffablagerung nicht ewig an und der Wald begann, sich zu „wehren“.

Mit dem Eintritt in die dritte Phase warteten die Waldpflanzen und Mikroorganismen nicht mehr auf ihren Tod. Unter den harten Bedingungen mit langfristig hohem Stickstoffgehalt und Versauerung passten sie ihre Gemeinschaftszusammensetzung allmählich an und es entstanden einige neue Rebstöcke und Mikrobengruppen. Die Stärksten überlebten und die Untauglichsten wurden eliminiert.

In diesem Stadium kommt es nicht mehr zu einer großflächigen Verringerung der Feinwurzelbiomasse der Pflanzen und der mikrobiellen Biomasse des Bodens, und die Atmung des Waldbodens sowie die Kohlenstoffemissionsraten stabilisieren sich wieder.

Obwohl sich Pflanzen und Mikroorganismen anpassten und ihre Atmungsraten in den späteren Stadien wiederherstellten, sanken die Kohlenstoffemissionen des Bodens während des gesamten Experiments um 6,53 bis 9,06 Mg CO2 pro Hektar. Eine Verringerung der Bodenatmung mag zwar als „gut“ für die Eindämmung des Klimawandels erscheinen, doch geht dies auf Kosten des biologischen Wachstums und einer Verringerung der Artenvielfalt.

Tatsächlich dauern die atmosphärische Stickstoffablagerung und die Bodenversauerung noch immer an. Wir wissen nicht, welche Veränderungen im Wald in der nächsten Phase eintreten werden, und die Forscher suchen noch immer nach der Antwort.

Auswirkungen simulierter Stickstoffdeposition auf die Waldbodenatmung (Bildquelle: Referenzen [11,12])

Dieses 13 Jahre dauernde simulierte Experiment zur Stickstoffablagerung erzählt nicht nur die Geschichte, wie der Stickstoff im Wald den Kohlenstoff reguliert, sondern beschreibt auch, wie Pflanzen und Mikroorganismen in schwierigen Zeiten überleben.

Was sollten wir vor dem Hintergrund der „dualen Kohlenstoffstrategie“ tun?

Die derzeit rasante Entwicklung der Wirtschaft und Gesellschaft des Landes wird zwangsläufig gewisse Auswirkungen auf die ökologische Umwelt haben. Eine der zentralen Fragen, die in Zukunft geklärt werden müssen, ist die Frage, wie ein ausgewogenes Gleichgewicht zwischen wirtschaftlicher Entwicklung und Umweltschutz erreicht werden kann.

Das strategische Ziel „Duale Kohlenstoffbilanz“ basiert auf der inhärenten Anforderung, eine nachhaltige Entwicklung zu fördern und beinhaltet auch die Verantwortung, eine Schicksalsgemeinschaft für die Menschheit aufzubauen. Ziel ist es, den Anstieg der globalen Oberflächentemperatur bis zum Ende dieses Jahrhunderts auf maximal zwei Grad Celsius gegenüber dem Niveau vor der industriellen Revolution zu begrenzen.

Die Welt stößt jedes Jahr etwa 51 Milliarden Tonnen Treibhausgase in die Atmosphäre aus. Um Katastrophen durch extreme Wetterbedingungen infolge der globalen Erwärmung zu vermeiden, müssen die Menschen die Treibhausgasemissionen in die Atmosphäre reduzieren und so schnell wie möglich ein Netto-Null-Emissionsniveau erreichen.

Neben der Reduzierung der anthropogenen Kohlenstoffemissionen ist es auch notwendig, die durch anthropogene Aktivitäten verursachte Stickstoffablagerungsverschmutzung rational zu kontrollieren. Obwohl Stickstoffablagerungen dazu beitragen können, die Kohlenstoffemissionen aus Waldböden über einen bestimmten Zeitraum zu verlangsamen, können wir die Nebenwirkungen langfristiger Stickstoffablagerungen nicht ignorieren. Dazu zählen insbesondere Bodenversauerung, verringertes Pflanzenwachstum und eine verringerte Artenvielfalt. Diese Veränderungen werden letztlich die Kohlenstoffsenkenfunktion der Wälder schwächen.

Abschluss

Es lässt sich nicht leugnen, dass die Aktivitäten des Menschen und die dadurch verursachten globalen Umweltveränderungen (globale Erwärmung, erhöhter Stickstoffeintrag, Dürre, extremes Klima usw.) eine Reihe von Auswirkungen auf die natürlichen Ökosysteme haben und die Verschlechterung der Ökosysteme verschlimmert haben.

Das aktive Eintreten für naturbasierte Lösungen, das Vertrauen auf die Kraft der Natur und ökosystembasierte Ansätze, die Förderung des integrierten Schutzes und der Wiederherstellung von Bergen, Flüssen, Wäldern, Feldern, Seen, Grasland und Wüsten, die Verbesserung der Qualität und Stabilität von Ökosystemen und die Intensivierung von Maßnahmen zum Schutz, zur Bewirtschaftung und zur Wiederherstellung natürlicher und veränderter Ökosysteme sind wichtige Maßnahmen, um in Zukunft wirksam auf soziale, wirtschaftliche und ökologische Herausforderungen zu reagieren.

Naturbasierte Lösungen (Bildquelle: Referenz [3])

Quellen:

1. Bai Yongxiu, Luneng, Li Shuangyuan. Hintergründe, Herausforderungen, Chancen und Umsetzungswege der dualen CO2-Ziele. China Economic Review, 2021:10-13.

2. Ning Jing. Chinesische Version des globalen Standards für naturbasierte Lösungen und typische Fälle chinesischer Praxis veröffentlicht. Chinas Nachrichten zu natürlichen Ressourcen, 2021:001.

3. IUCN Global Standards for Nature-Based Solutions: Ein Rahmen für die Überprüfung, Gestaltung und Förderung naturbasierter Lösungen: Erste Ausgabe.

4. Ackerman, D., Millet, DB, Chen, X. Globale Schätzungen der anorganischen Stickstoffablagerung über vier Jahrzehnte. Globale biogeochemische Kreisläufe, 2019:100–107.

5. Annahme des Pariser Abkommens FCCC/CP/2015/L.9/Rev.1, UNFCC, 2015.

6. Chen, C., Xiao, WY, Chen, HYH Kartierung der globalen Bodenversauerung unter N-Ablagerung. Biologie des globalen Wandels, 2023:4652-4661.

7. Galloway, JN, Bleeker, A., Erisman, JW Die menschliche Erzeugung und Nutzung von reaktivem Stickstoff: Eine globale und regionale Perspektive. Jahresbericht zu Umwelt und Ressourcen, 2021:255-288.

8. Harris, NL, Gibbs, DA, Baccini, A., et al. Globale Karten der Kohlenstoffflüsse in Wäldern im 21. Jahrhundert. Nature Climate Change, 2021:234–240.

9. IPCC-Sonderbericht über Klimawandel und Land (Hrsg. Shukla, PR et al.), IPCC, 2019.

10. Yu, GR, Jia, YL, He, NP, et al. Stabilisierung der atmosphärischen Stickstoffablagerung in China im letzten Jahrzehnt. Nature Geoscience, 2019:424–429.

11. Zheng, MH, Zhang, T., Luo, YQ, et al. Zeitliche Muster der Kohlenstoffemission im Boden tropischer Wälder bei langfristiger Stickstoffablagerung. Nature Geoscience, 2022:1002-1010.

12. Zheng, MH, Mo, JM Phasenvariation der Bodenatmung in tropischen Wäldern als Reaktion auf Stickstoffablagerung. Nature Geoscience, 2022:965-966.

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Zheng Mianhai (Südchinesischer Botanischer Garten, Chinesische Akademie der Wissenschaften) Produzent: China Science Expo

Dieser Artikel gibt nur die Ansichten des Autors wieder und repräsentiert nicht die Position der China Science Expo

Dieser Artikel wurde zuerst in der China Science Expo (kepubolan) veröffentlicht.

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