Drought increases soil nitrous oxide emissions and nitrogen availability under plant cover in arable soils

Die Luft, die wir atmen, enthält einen stillen, unsichtbaren Akteur in der Klimageschichte: Distickstoffmonoxid. Während Kohlendioxid oft die Schlagzeilen für seine Rolle bei der Erwärmung des Planeten beherrscht, ist dieses andere Gas Molekül für Molekül weitaus potenter darin, Wärme zu speichern. Es entweicht aus dem Boden, hauptsächlich als Nebenprodukt der Art und Weise, wie Mikroben Stickstoff abbauen, ein Nährstoff, der für das Pflanzenwachstum essenziell ist. Landwirte geben Stickstoff auf ihre Felder, um das Wachstum der Pflanzen zu fördern, aber wenn dieser Stickstoff ungenutzt im Boden verbleibt, können Mikroben ihn in Distickstoffmonoxid umwandeln, das dann in die Atmosphäre aufsteigt. Seit Jahrzehnten wissen Wissenschaftler, dass Wasser eine massive Rolle in diesem Prozess spielt. Wenn der Boden feucht ist, ist Sauerstoff knapp, und Mikroben schalten in einen Modus um, der mehr dieses Gases produziert. Wenn der Boden trocken ist, verlangsamt sich der Prozess normalerweise, und die Emissionen sinken. Doch während sich das Klima verändert und häufigere sowie intensivere Sommerdürren an Orten wie Nordeuropa mit sich bringt, ist eine neue Frage aufgetaucht: Hält diese einfache Regel noch stand, wenn Pflanzen in diesem trockenen Boden wachsen?

Ein Forschungsteam der Universität Helsinki machte sich daran, dies zu beantworten, indem sie in einem Gewächshaus eine kontrollierte Welt erschufen. Sie wollten sehen, wie die Anwesenheit lebender Pflanzen die Geschichte des Distickstoffmonoxids verändert, wenn der Boden austrocknet. Sie füllten Töpfe mit Tonboden, der von einem Forschungsbauernhof stammte, und richteten ein einfaches Experiment ein. Einige Töpfe wurden völlig kahl gelassen, was Boden ohne Vegetation darstellte. Andere wurden mit Hafer bepflanzt, einer verbreiteten Nutzpflanze. Einige dieser Hafer-Töpfe enthielten zudem eine zweite Pflanze, entweder italienisches Weidelgras oder Luzerne, um zu sehen, ob unterschiedliche Kombinationen von Pflanzen einen Unterschied machen. Die Hälfte dieser Töpfe wurde feucht gehalten, um eine normale Wachstumsperiode zu simulieren, während die andere Hälfte austrocknen durfte, um eine Dürre zu simulieren. Die Forscher beobachteten dann genau, wie viel Distickstoffmonoxid über fast sechs Wochen aus dem Boden entwich, während sie gleichzeitig erfassten, wie viel Stickstoff die Pflanzen aufnahmen und was mit dem verbleibenden Stickstoff im Erdreich geschah.

Die Ergebnisse offenbarten eine überraschende Wendung in der Beziehung zwischen Pflanzen, Dürre und Emissionen. In den Töpfen ohne Pflanzen verhielt sich der trockene Boden genau wie erwartet: Der Mangel an Wasser verlangsamte die Mikroben, und die Menge des freigesetzten Distickstoffmonoxids sank drastisch um fast 80 Prozent im Vergleich zum feuchten Boden. In den Töpfen mit Pflanzen war die Geschichte jedoch völlig anders. Als der Boden austrocknete, verhinderten die Pflanzen nicht das Entweichen des Gases; stattdessen stiegen die Emissionen aus dem bepflanzten Boden tatsächlich an und waren zwei- bis viermal so hoch wie unter feuchten Bedingungen. Dies war ein kontraintuitiver Befund, der darauf hindeutet, dass die Anwesenheit lebender Wurzeln die Art und Weise, wie der Boden auf Wassermangel reagiert, grundlegend verändert.

Um zu verstehen, warum dies geschah, blickten die Forscher tiefer in die Bodenchemie. Sie fanden heraus, dass in dem trockenen, kahlen Boden der Stickstoff einfach ungenutzt und festgesetzt dort lag. Aber im trockenen Boden mit Pflanzen geschah etwas anderes. Die Pflanzen nahmen weiterhin Stickstoff auf, aber die Dürre schien auch die Art und Weise zu verändern, wie Mikroben diesen verarbeiteten, was zu einer Ansammlung einer spezifischen Form von Stickstoff, nämlich Nitrat, führte. Obwohl die Pflanzen weiterhin wuchsen und Nährstoffe aufnahmen, schuf die Kombination aus diesem zusätzlichen Nitrat und dem Kohlenstoff, den die Pflanzen aus ihren Wurzeln abgaben, einen perfekten Sturm für die Mikroben, um mehr Distickstoffmonoxid zu produzieren. Die Pflanzen hatten nicht verhindert, dass das Gas entstand; sie hatten unbeabsichtigt den Brennstoff geliefert, der dazu führte, dass die Emissionen bei Verschwinden des Wassers anstiegen.

Die Studie untersuchte auch, ob die Art der Pflanze eine Rolle spielte. Sie verglichen Hafer, der allein wuchs, mit Hafer, der zusammen mit Weidelgras oder Luzerne wuchs. Obwohl die verschiedenen Pflanzen leichte Variationen darin zeigten, wie viel Stickstoff sie aus dem Boden zogen, blieb das Gesamtmuster gleich: Jegliche Pflanzenbedeckung reduzierte die Emissionen im Vergleich zu kahlem Boden, aber die Dürre verursachte in allen bepflanzten Behandlungen einen Anstieg der Emissionen. Die Forscher merkten an, dass die Luzerne, die ihren eigenen Stickstoff aus der Luft fixieren kann, in diesem Kurzzeitexperiment nicht drastisch anders reagierte, da die Pflanzen wahrscheinlich noch jung waren und ihre komplexen Wurzelsysteme noch nicht vollständig ausgebildet hatten. Der dominierende Faktor war schlicht die Anwesenheit von Vegetation gegenüber kahler Erde sowie der Übergang von feuchten zu trockenen Bedingungen.

Diese Erkenntnisse stellen die Annahme infrage, dass Dürre immer zu geringeren Emissionen führt. Während trockener, kahler Boden die Freisetzung von Distickstoffmonoxid tatsächlich unterdrückt, kann dieselbe Trockenheit, wenn Pflanzen vorhanden sind, einen Anstieg der Emissionen auslösen. Die Forscher vermuten, dass dies geschieht, weil die Pflanzen den Boden mit Kohlenstoff lebendig halten und die Dürre zu einem Aufbau von Nitrat führt, das die Mikroben dann in Gas umwandeln. Dies hat wichtige Auswirkungen auf die Landbewirtschaftung. Wenn ein Feld während einer Trockenperiode brach liegt, könnte es weniger Gas emittieren, aber sobald es wieder regnet, könnte das angesammelte Nitrat in einem massiven Stoß freigesetzt werden. Umgekehrt hilft es, das Pflanzenwachstum aufrechtzuerhalten, selbst während trockener Perioden, um den Stickstoff in der Pflanzenbiomasse zu binden und so dessen Ansammlung im Boden zu verhindern. Die Studie legt nahe, dass die Aufrechterhaltung eines guten Pflanzenwachstums eine Schlüsselstrategie ist, um die Distickstoffmonoxid-Werte niedrig zu halten, nicht nur während der feuchten Jahreszeiten, sondern insbesondere dann, wenn das Wetter trocken wird.

Das Experiment wurde über einen Zeitraum von 39 Tagen durchgeführt, was eine relativ kurze Zeit in der Lebensspanne einer Pflanze oder eines Bodenökosystems ist. Die Forscher räumten ein, dass diese Ergebnisse die frühen Stadien des Wachstums widerspiegeln und dass sich die Dynamik ändern kann, wenn die Pflanzen reifen und ihre Wurzelsysteme komplexer werden. Sie merkten auch an, dass ihre kontrollierte Umgebung im Gewächshaus es ihnen zwar ermöglichte, die Effekte von Dürre und Pflanzenbedeckung zu isolieren, reale Felder jedoch Wind, Temperaturschwankungen und anderen Variablen ausgesetzt sind, die das Ergebnis verändern könnten. Dennoch liefert die Datenlage ein klares Bild eines Mechanismus, der zuvor übersehen wurde: Pflanzen sitzen nicht nur passiv im Boden; sie gestalten die chemische Umgebung aktiv um und können dadurch eine Dürre von einem Unterdrücker der Emissionen in einen Auslöser für sie verwandeln.

Die breitere Lehre ist eine der Balance. Die Landwirtschaft beruht auf der Verwaltung von Stickstoff, um Nutzpflanzen zu ernähren, aber eben dieser Stickstoff ist auch eine Quelle potenter Treibhausgase. Die Studie verdeutlicht, dass die Lösung nicht einfach darin besteht, Felder während Trockenperioden brach liegen zu lassen, noch anzunehmen, dass trockener Boden immer ein sicherer Hafen vor Emissionen ist. Stattdessen wirkt die Anwesenheit einer gesunden, wachsenden Vegetation als Puffer, der den Stickstoff absorbiert, der andernfalls im Boden warten würde, um in Gas umgewandelt zu werden. Indem Landwirte sicherstellen, dass Nutzpflanzen gut gedeihen und auch unter Wasserstress weiterwachsen, können sie das Risiko großer, plötzlicher Freisetzungen von Distickstoffmonoxid verringern, wenn der Regen schließlich zurückkehrt. Diese Arbeit fügt unserem Verständnis des Bodens eine neue Ebene hinzu und zeigt, dass die Wechselwirkung zwischen den Wurzeln einer Pflanze und der trockenen Erde ein komplexer Tanz der Chemie ist, der bestimmt, wie viel hitzefestendes Gas in unsere Atmosphäre entweicht.