Mineralzusammensetzung und Landnutzung bestimmen die Kohlenstoffspeicherung in Böden

Die Speicherung von Kohlenstoff im Boden kann dazu beitragen, den Klimawandel abzumildern. Insbesondere organische Bodensubstanz, die an Minerale gebunden ist, kann Kohlenstoff langfristig speichern.

Ein Team, dem Forschende des Max-Planck-Instituts für Biogeochemie und der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg angehören, untersuchte, welche Faktoren die mit Mineralen assoziierte organische Substanz regulieren. Die in der Zeitschrift Global Change Biology veröffentlichte Studie zeigt, dass die Bildung mineralgebundener organischer Substanz zwar in erster Linie von der Mineralart abhängt, jedoch auch durch Landnutzung und Bewirtschaftungsintensität beeinflusst wird.

Organischer Kohlenstoff in Böden ist nicht nur für die Bodenfruchtbarkeit und die Nahrungsmittelproduktion wichtig, sondern spielt auch eine bedeutende Rolle für unser Klima: Böden sind der größte terrestrische Kohlenstoffspeicher und es werden jedes Jahr sieben Prozent des atmosphärischen CO2 im Boden umgesetzt. Durch landwirtschaftliche Nutzung haben viele Böden bereits große Mengen an Kohlenstoff an die Atmosphäre verloren. Um dem Klimawandel entgegenzuwirken, müssen wir daher verstehen, wie weitere Verluste verhindert und wie die Kohlenstoffspeicher im Boden wiederaufgebaut werden können. Kohlenstoff, der an Minerale gebunden ist, bleibt länger im Boden und reagiert weniger empfindlich auf Störungen. Die Bildung von mineral-gebundenem organischem Material (MAOM) ist daher ein Schlüsselprozess im globalen Kohlenstoffkreislauf. Trotz jahrzehntelanger Forschung ist bisher ungeklärt, wie die Mineralzusammensetzung der Böden und andere Faktoren, wie zum Beispiel die Landnutzung und die Bewirtschaftungsintensität, die Bildung von MAOM beeinflussen.

Um diese Forschungslücke zu schließen, wurden mehr als 3500 durchlässige Behälter mit kohlen-stofffreien Mineralen, die in Böden vorkommen, an 150 Wald- und 150 Grünlandstandorten vergraben. Bei den Mineralen handelte es sich entweder um das Eisenoxid Goethit oder das silikatische Tonmineral Illit. Die Versuchsstandorte liegen in den drei über Deutschland verteilten Untersuchungsregionen des von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) finanzierten Infrastruktur-Schwerpunktprogramms „Biodiversitätsexploratorien“. Nach fünf Jahren Inkubationszeit unter der Erde analysierte ein Forschungsteam unter der Leitung von De Shorn Bramble vom Max-Planck-Institut für Biogeochemie (MPI-BGC) in Jena sowie Susanne Ulrich von der Martin-Luther-Universität Halle (MLU) die Anreicherung von Kohlenstoff auf den Mineralen. Sie stellten fest, dass Goethit, unabhängig von der Art der Landnutzung, viermal mehr organischen Kohlenstoff anreichert als Illit. Dieses Ergebnis unterstreicht, dass die Mineralzusammensetzung entscheidend ist für die Geschwindigkeit und die Menge der MAOM-Bildung in Böden.

„Das meiste, was wir über die Rolle von Oxiden und silikatischen Tonmineralen wissen, zwei wichti-gen 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.

Aufgrund der langen Verweildauer von Kohlenstoff gebunden an Mineralen wurde angenommen, dass die MAOM-Bildung auf Zeitskalen unterhalb von Jahrzehnten relativ unempfindlich gegenüber anthropogenen Störungen ist. In ihrer Studie fanden die Forschenden jedoch bereits nach fünf Jahren Auswirkungen: Die MAOM-Bildung in Wäldern nimmt mit zunehmender Intensität der Holzernte ab und wird auch durch die Baumarten beeinflusst. Im Grünland begünstigen sowohl zunehmende Pflanzenproduktivität als auch Pflanzenvielfalt die MAOM-Bildung. Die Pflanzenproduktivität und die Pflanzenvielfalt werden wiederum durch Düngung beeinflusst, wobei die Düngung die Pflanzenproduktivität erhöht, aber die Pflanzenvielfalt verringert.

Da Kohlenstoff sehr lange an Minerale gebunden wird, nahm man an, dass die MAOM-Bildung auf Zeitskalen unterhalb von Jahrzehnten relativ unempfindlich gegenüber anthropogenen Störungen ist. In ihrer Studie fanden die Forschenden jedoch bereits nach fünf Jahren Veränderungen: Die MAOM-Bildung in Wäldern nimmt mit zunehmender Intensität der Holzernte ab und sie wird auch durch die Baumarten beeinflusst. Im Grünland begünstigen sowohl eine zunehmende Pflanzenproduktivität als auch die Pflanzenvielfalt die MAOM-Bildung. Die Pflanzenproduktivität und die Pflanzenvielfalt werden wiederum durch Düngung beeinflusst, sie erhöht die Produktivität, aber verringert die Vielfalt.

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“. Abschließend stellt er fest, dass die Mineralzusammensetzung zwar das Potenzial für die Kohlenstoffspeicherung der Böden bestimmt, die Bodennutzung jedoch Einfluss darauf hat, in welchem Umfang dieses Potenzial ausgeschöpft wird. Um die MAOM-Bildung in Böden noch genauer vorhersagen zu können, erscheint es notwendig, in Zukunft die Wechselbeziehungen zwischen Mineralen, der Menge und chemischen Zusammensetzung der in den Boden eingetragenen Pflanzenreste sowie der Gemeinschaft der mikrobiellen Zersetzer näher zu untersuchen.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

De Shorn Bramble
E-Mail: dbramble@bgc-jena.mpg.de

Dr. Marion Schrumpf
E-Mail: mschrumpf@bgc-jena.mpg.de

Susanne Ulrich
susanne.ulrich@landw.uni-halle.de

Originalpublikation:

Bramble, D. S.; Ulrich, S.; Schöning, I.; Mikutta, R.; Brandt, L.; Poll, C.; Kandeler, E.; Mikutta, C.; Konrad, A.; Siemens, J. et al.
Formation of mineral-associated organic matter in temperate soils is primarily controlled by mineral type and modified by land use and management intensity.
Global Change Biology (2023)

Weitere Informationen:

https://doi.org/10.1111/gcb.17024 Original-Publikation
https://www.bgc-jena.mpg.de/bgi/biogeochemie-des-bodens Webseite der Gruppe am Max-Planck-Institut

https://www.bgc-jena.mpg.de/pm-mineralzusammensetzung-und-landnutzung-bestimmen-bodenkohlenstoff