Mit Heizelementen haben die Wissenschaftler den Waldboden erwärmt.
© Artur Stefanski
Mit Heizelementen haben die Wissenschaftler den Waldboden erwärmt. © Artur Stefanski

Klimawandel: Bodenorganismen sind unschuldig

  • Julia Hatzl
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Wenn sich der Erdboden erwärmt, setzt er vermehrt Kohlendioxid CO2 frei – ein Effekt, der den Klimawandel zusätzlich anheizt. Eine neue Studie zeigt nun, dass nicht die vermehrte Aktivität der Bodenorganismen Schuld daran ist. Die Wissenschaft steht vor einem Rätsel.

Bisher hatte man angenommen, der Grund für die vermehrte Freisetzung von CO2 bei der Erwärmung von Erdboden sei vor allem in kleinen Bodentieren und Mikroorganismen zu suchen, die bei wärmeren Temperaturen mehr fressen und atmen würden. Eine neue Studie in Nature Climate Change zeigt jedoch, dass dies nicht zutrifft. Im Gegenteil: Kommt zur Wärme auch noch Trockenheit hinzu, fressen die Bodentiere sogar weniger. Um die Vorhersagekraft von Klimamodellen zu verbessern, sei es nun dringend notwendig, die biologischen Vorgänge im Boden besser zu erforschen, so die Wissenschaftler des Deutschen Zentrum für integrative Biodiversitätsforschung (iDiv).

Teufelskreislauf

Dass sich das Klima weltweit ändert, liegt vor allem daran, dass der Mensch fossile Brennstoffe nutzt. Dadurch gelangen grosse Mengen an Kohlendioxid CO2 in die Erdatmosphäre. Zusätzlich verstärkt sich der Klimawandel aber auch selbst, denn durch die Erderwärmung ändert sich auch der natürliche Kohlenstoffkreislauf. Zwar wird auf der Erde ständig Kohlenstoff von festen Verbindungen in gasförmiges CO2 umgewandelt und umgekehrt – doch wärmere Temperaturen können dazu führen, dass dem Boden noch mehr Kohlenstoff in Form von CO2 entweicht und in die Erdatmosphäre gelangt: ein Rückkopplungs-Effekt.

Stoffwechsel der Bodenorganismen als Ursache vermutet

Bisher waren Wissenschaftler davon ausgegangen, dieser Effekt liege vor allem an jenen kleinen Tieren und Mikroorganismen im Boden, die sich von abgestorbenem organischen Material ernähren, etwa von heruntergefallenen Blättern.

Springschwänze sind winzige Insekten, die im Boden leben und sich von abgestorbenem organischen Material ernähren. Auf der Abbildung ist ein Kugelspringer zu sehen. © Sarah Zieger
Springschwänze sind winzige Insekten, die im Boden leben und sich von abgestorbenem organischen Material ernähren. Auf der Abbildung ist ein Kugelspringer zu sehen. © Sarah Zieger

Denn wenn sie ihre Nahrung «verbrennen», wird CO2 frei. Bei wärmeren Temperaturen, so hatte man angenommen, würden zersetzende Insekten und Würmer mehr fressen. Schliesslich handelt sich um wechselwarme Tiere, deren Körpertemperatur und Aktivität von der Umgebung abhängt. Auch Bakterien und einzellige Pilze seien bei wärmeren Temperaturen aktiver, so die bisherige Erklärung. Doch nun stellt eine neue Studie diese Annahme in Frage. Ein Forscherteam unter Federführung des Deutschen Zentrums für integrative Biodiversitätsforschung (iDiv) und der Universität Leipzig hat in einem Experiment die Erwärmung des Bodens im Wald simuliert und überraschend festgestellt: Auf die Fressaktivität der Bodentiere haben die wärmeren Temperaturen keinen Einfluss. Als die Forscher zusätzlich zur Erwärmung noch einen zweiten Effekt des Klimawandels simulierten, nämlich Trockenheit, waren die Ergebnisse sogar umgekehrt als erwartet:

Die Bodentiere frassen weniger, und auch bei den Mikroorganismen im Boden ging die Atmung (CO2-Produktion) zurück – ein Hinweis, dass sie ebenfalls weniger Nahrung aufnahmen.

Mit Heizelementen haben die Wissenschaftler den Waldboden erwärmt. © Artur Stefanski
Mit Heizelementen haben die Wissenschaftler den Waldboden erwärmt.
© Artur Stefanski

Warum diese Resultate von grosser Relevanz sind, erklärt Dr. Madhav P. Thakur, Erstautor der Studie:

«Der Rückkopplungs-Effekt, dass Erwärmung die Freisetzung von weiterem CO2 aus dem Boden verstärkt, spielt eine wichtige Rolle in Vorhersage-Modellen zum Klima. Daher ist es wichtig zu verstehen, wie er zustande kommt. Unsere Ergebnisse weisen darauf hin, dass die Rückkopplung nicht an den Bodentieren liegt, im Gegenteil: Deren Rolle scheint genau umgekehrt zu sein wie erwartet, zumindest wenn Erwärmung und Trockenheit zusammenkommen.»

Der Seniorautor der Studie, Professor Nico Eisenhauer, sagt:

«Am wahrscheinlichsten ist es, dass anstatt der Bodentiere und Mikroorganismen die Pflanzen für den Rückkopplungs-Effekt verantwortlich sind, denn auch sie atmen mit ihren Wurzeln. Um die Aussagekraft von Klimamodellen zu verbessern müssen wir die Abläufe im Boden nun dringend besser verstehen.»

Die Studie wurde innerhalb eines Langzeit-Experiments zum Klimawandel in Minnesota in den USA durchgeführt. Im Projekt «B4WarmED» (Boreal Forest Warming at an Ecotone in Danger) erwärmen Wissenschaftler in Wäldern verschiedene Parzellen künstlich um 3,4 °C. Zusätzlich reduzieren sie stellenweise Regen um 40 % indem sie bei Regenwetter Zelte aufstellen. Wie viel die zersetzenden Bodentiere bei den verschiedenen Versuchsanordnungen frassen, haben die Wissenschaftler mit so genannten «Köder-Streifen» (Englisch: bait lamina strips) gemessen: Kleine Stäbchen, die mit Löchern versehen waren, in welche die Forscher ein Substrat füllten, das der normalen Nahrung der Zersetzer ähnelt.

Wie viel die Tiere fressen haben die Forscher mit so genannten Köderstreifen (Englisch: bait lamina strips) gemessen. © Julia Siebert
Wie viel die Tiere fressen haben die Forscher mit so genannten Köderstreifen (Englisch: bait lamina strips) gemessen. © Julia Siebert

Diese Stäbchen steckten sie tief in den Boden. Alle zwei Wochen kontrollierten sie, wie viel Substrat aufgefressen war. Insgesamt haben die Forscher über vier Jahre mehr als 40 Messungen durchgeführt. Es ist die erste Studie dieses Umfangs, die die Auswirkungen von Erwärmung und Trockenheit auf zersetzende Bodentiere untersucht. Zusätzlich überprüften die Forscher die Atmung der Boden-Mikroorganismen indem sie in kleinen Boden-Bereichen Pflanzenwurzeln mit einem Metallring ausschlossen und dann mit einem Gas-Analysegerät massen, wie viel CO2 aus dem Boden entwich.

Originalpublikation:

Madhav P. Thakur, Peter B. Reich, Sarah E. Hobbie, Artur Stefanski, Roy Rich, Karen E. Rice, William C. Eddy, Nico Eisenhauer (2017): Reduced feeding activity of soil detritivores under warmer and drier conditions. Nature Climate Changedoi:10.1038/s41558-017-0032-6

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