Effekte des CO2-Anstiegs waren schon im vergangenen Jahrhundert erkennbar

Der Anstieg der Kohlendioxidkonzentration in der Atmosphäre und der damit einhergehende Klimawandel hat schon im vergangenen Jahrhundert in Gras-dominierten Grünlandbeständen zu Mindererträgen geführt. Dies zeigen Forschende der Technischen Universität München (TUM), die gemeinsam mit Kolleginnen und Kollegen aus Rothamsted (U.K.) eine Untersuchung auf Basis des dortigen weltweit ältesten ökologischen Dauerexperiments durchgeführt haben.

„Die Wissenschaft hat aufgrund von Freilandexperimenten mit erhöhter Kohlendioxidkonzentration, künstlicher Erwärmung und modifizierter Wasserversorgung recht gute Vorstellungen darüber, wie sich der künftige Klimawandel auf die Grünlandvegetation auswirken wird, während solche Kenntnisse bezüglich des Klimawandels im letzten Jahrhundert weitgehend fehlten“, sagt Hans Schnyder, Professor für Grünlandlehre an der TUM.

Auf der Grundlage des Park Grass Experiments in Rothamsted zeigen Forscherinnen und Forscher zum ersten Mal, inwiefern für die Zukunft prognostizierte Effekte des Klimawandels auf den Nährstoffstatus von Grünlandbeständen bereits in der jüngeren Geschichte des Klimawandels im letzten Jahrhundert eingetreten sind.

Pflanzeneigene Mechanismen reagieren auf den CO2-Anstieg

Seit 1856 werden in Rothamsted die Wirkungen unterschiedlicher Düngergaben auf die Ertragsleistung und die botanische Zusammensetzung von Heuwiesen geprüft. Geerntetes Material wurde seit Versuchsbeginn archiviert. Es stand nun den Forscherinnen und Forschern für Untersuchungen des Nährstoffstatus von Stickstoff und Phosphor, und der Kohlenstoff- und Sauerstoff-Isotopenzusammensetzung der Biomasse zur Verfügung.

„Der Anstieg der atmosphärischen CO2-Konzentration wirkt sich auch auf die Kohlenstoff-, Wasser- und Stickstoff-Kreisläufe in Grasland wie auch in anderen Biomen aus“, so Prof. Schnyder. Der Mechanismus, der den Gasaustausch der Pflanzen mit der Umgebungsluft bedingt (die stomatäre Leitfähigkeit des Pflanzendaches) ist ein Schlüsselakteur in diesen Kreisläufen.

Pflanzen kontrollieren, wie weit ihre Spaltöffnungen (Stomata) in der Pflanzenhaut sich öffnen, um das Gleichgewicht zwischen Kohlendioxidaufnahme (Photosynthese) und Wasserverlust (Transpiration) zu optimieren. Bei erhöhter CO2 Exposition verkleinern sie die Spaltöffnungsweite und sparen so Wasser, ein Effekt der besonders bei Gräsern sehr ausgeprägt ist.

Die geminderte Transpiration kann jedoch – wegen des verminderten Massenflusses vom Boden in die Wurzeln bis in die Blätter – die Stickstoffaufnahme reduzieren und auf die photosynthetische Kapazität schwächend zurückwirken.

Ertragsminderung und Verschlechterung des Stickstoffernährungsstatus

Zusammen mit den neuen Untersuchungen der Sauerstoff- und Kohlenstoffisotopenzusammensetzung, Stickstoff- und Phosphoranalysen, sowie der vorliegenden Ertrags- und Klimadaten hat das Forschungsteam um Prof. Schnyder, die Auswirkungen der emissionsbedingten Erhöhung der CO2-Konzentration (von rund 30 Prozent) und des damit einhergehenden Klimawandels in der Vergangenheit analysiert.

Insbesondere bei den stark mit Stickstoff gedüngten Gras-reichen Beständen kam es zu einer Verschlechterung des Stickstoffernährungsstatus der Vegetation. Der Klimawandel führte außerdem zu einer mit den neuen Forschungsmethoden erkennbaren stark reduzierten stomatären Leitfähigkeit und sogar zu einer Minderung der Erträge.

Die Forschenden sehen in einer überempfindlichen CO2-Reaktion der Spaltöffnungen der Gräser und der damit verbundenen Reduzierung der transpirationsgetriebenen Stickstoffaufnahme die Kernelemente der beobachteten Reaktionen.

Kein positiver Stickstoffdüngungseffekt auf die Ertragsleistung von Grünland

„Wir beobachteten, dass stark mit Stickstoff gedüngte und deshalb Gras-reiche Pflanzenbestände im Laufe des letzten Jahrhunderts ihre Ertragsüberlegenheit gegenüber weniger oder nicht mit Stickstoff gedüngten – aber im Übrigen mit Nährstoffen gleich versorgten – Kraut- und Leguminosen-reichen Pflanzenbeständen weitgehend verloren haben“, sagt Erstautor Juan Baca Cabrera, der am Lehrstuhl für Grünlandlehre der TUM promoviert.

Die Ergebnisse sprechen aus Sicht der Forschenden für eine künftig zurückhaltende Stickstoffversorgung von Graslandbeständen die einen bedeutenden Ertragsanteil von Kräutern und Leguminosen bewirkt und gleichzeitig dazu beiträgt, Stickstoffemissionen in die Umwelt zu begrenzen. „Unsere Erkenntnisse sind wichtig für das Verständnis der Bedeutung der Gräser in Erdsystemen und sie geben Hinweise für eine nachhaltige künftige Grünlandnutzung“, so Prof. Schnyder.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Professor Dr. Hans Schnyder
Technische Universität München
TUM School of Life Sciences
Lehrstuhl für Grünlandlehre
D-85350 Freising-Weihenstephan
E-Mail: schnyder@wzw.tum.de

MSc Juan C. Baca Cabrera
Wissenschaftler am Lehrstuhl für Grünlandlehre
Tel.: +49 (0)8161-715021
E-Mail: juan.baca@tum.de

Originalpublikation:

Juan C. Baca Cabrera, Regina T. Hirl, Rudi Schäufele, Andy Macdonald, Hans Schnyder. 2021. Stomatal conductance limited the CO2 response of grassland in the last century. BMC Biology.24. März 2021.

Weitere Informationen:

https://doi.org/10.1186/s12915-021-00988-4 (Originalpublikation)
https://www.tum.de/nc/die-tum/aktuelles/pressemitteilungen/details/36503/ (Pressemitteilung)
https://mediatum.ub.tum.de/1601928 (hochauflösende Fotos)
https://www.gruenland.wzw.tum.de/startseite.html
https://www.professoren.tum.de/schnyder-hans
http://www.wzw.tum.de