A rising water table mobilizes deep, iron-bound soil phosphorus

Seit Jahrzehnten verstehen Wissenschaftler, dass der Boden als eine Art riesige Speisekammer für Pflanzen fungiert, die lebenswichtige Nährstoffe wie Phosphor speichert. Dieses Element ist der Motor des Wachstums, doch in vielen Landschaften, insbesondere in sauren, verwitterten Erden, scheint die Speisekammer leer zu sein. Die vorherrschende Ansicht lautete, dass Phosphor, sobald er tief im Boden an Eisenpartikel bindet, dauerhaft für Wurzeln unzugänglich bleibt. Dieser Glaube prägte unser Verständnis der Land- und Wasserbewirtschaftung und führte zu der Annahme, dass ein Land, dessen Oberboden arm an Nährstoffen ist, auch an sich arm an Nährstoffen sei. Diese Perspektive beruhte jedoch auf einem entscheidenden blinden Fleck: Sie betrachtete hauptsächlich die obersten Zentimeter der Erde und ignorierte das, was darunter verborgen lag.

Ein Forscherteam hat sich nun der Aufmerksamkeit auf diese verborgene Tiefe gewandt und einen dynamischen Prozess aufgedeckt, der die alten Annahmen infrage stellt. Sie entdeckten, dass in bestimmten Landschaften ein steigender Grundwasserspiegel wie ein Schlüssel wirkt, der riesige Reservoirs an Nährstoffen freigibt, die man für immer verloren glaubte. Durch die Verfolgung der Wasserbewegung und der Bodenchemie in Florida-Weiden fanden sie heraus, dass saisonale Regenfälle den Grundwasserspiegel nach oben drücken, was wiederum eine chemische Reaktion auslöst, die Eisen auflöst und eine Flut von Phosphor in das Wasser rund um die Pflanzenwurzeln freisetzt. Diese Entdeckung legt nahe, dass der Boden unter unseren Füßen weitaus aktiver und großzügiger ist, als man bisher angenommen hatte, und genug gespeicherte Energie bereithält, um das Pflanzenleben über Jahrzehnte hinweg zu erhalten, selbst in Gebieten, die an der Oberfläche karg erscheinen.

Die Forscher konzentrierten ihre Studie auf drei unterschiedliche Weideflächen in Süd-Zentral-Florida, einer Region, die für ihre sandigen, sauren Böden und saisonalen Überschwemmungen bekannt ist. Zwei dieser Standorte waren historisch für die Viehweide gedüngt worden, während der dritte eine halbnatürliche Graslandschaft war, die nie gedüngt worden war. Das Team wollte eine spezifische Idee testen: dass die Geschichte der Düngung nicht im Oberboden verloren gegangen war, sondern nach unten ausgewaschen und in einer tiefen, vergrabenen Bodenschicht, der sogenannten Spodic-Horizont, gefangen wurde. Diese Schicht, die reich an Eisen- und Aluminiumoxiden ist, befindet sich etwa zwischen 47 und 68 Zentimetern unter der Oberfläche, also weit tiefer, als Standard-Bodenuntersuchungen normalerweise reichen.

Um zu entschlüsseln, was in dieser tiefen Zone geschah, setzten die Wissenschaftler eine Kombination von Werkzeugen ein. Sie bohrten tiefe Bodenkerne, um die Bodenchemie von der Oberfläche bis zu einem Meter Tiefe zu beproben. Sie installierten ein Netzwerk von Sensoren, sogenannte Lysimeter, die Wasser aus verschiedenen Bodentiefen „schlürfen“, um die darin enthaltenen Nährstoffe zu messen. Zudem nutzten sie Bodenradar, um die vergrabenen Schichten über die gesamte Landschaft hinweg abzubilden, um sicherzustellen, dass ihre Funde an einem einzelnen Ort repräsentativ für das gesamte Feld waren. Über einen Zeitraum von achtzehn Monaten beobachteten sie, wie sich der Boden und das Wasser veränderten, wenn die Jahreszeiten von trocken zu feucht und wieder zurück wechselten.

Die Ergebnisse waren beeindruckend. Die tiefe, vergrabene Spodic-Schicht hielt den Großteil des Phosphors im Bodenprofil. In den gedüngten Weiden enthielt diese tiefe Schicht zwischen 6-0 und 78 Prozent des gesamten Phosphors, der im obersten Meter des Bodens gefunden wurde. Überraschenderweise wies auch die halbnatürliche Weide, die nie gedüngt worden war, eine massive Phosphorreserve in dieser tiefen Schicht auf, was darauf hindeutet, dass die Landschaft diese Nährstoffe natürlich in der Tiefe konzentriert. Der Oberboden hingegen war durchweg nährstoffarm, was bestätigte, dass der traditionelle Fokus auf den Oberboden die eigentliche Geschichte übersehen hatte.

Der wahre Durchbruch kam, als die Forscher die Wechselwirkung zwischen dem Grundwasserspiegel und dieser tiefen Schicht beobachteten. Als die saisonalen Regenfälle eintrafen und der Grundwasserspiegel stieg, erreichte er den eisenreichen Spodic-Horizont. Dieser Anstieg des Wassers veränderte das chemische Milieu und schuf Bedingungen, unter denen kaum Sauerstoff vorhanden war. Unter diesen Bedingungen begannen die Eisenpartikel, die den Phosphor festgehalten hatten, sich aufzulösen. Mit der Auflösung des Eisens wurde der gefangene Phosphor in das Wasser freigesetzt. Die Daten zeigten ein klares Muster: Wann immer der Grundwasserspiegel über die tiefe Schicht stieg, sprang die Konzentration von Phosphor im Bodenwasser signifikant an – teilweise fast um das Vierfache höher als während der Trockenperioden.

Entscheidend war, dass diese Freisetzung direkt an das Eisen gekoppelt war. Die Forscher fanden heraus, dass die Menge an gelöstem Phosphor im Wasser im exakten Gleichschritt mit der Menge an gelöstem Eisen stieg und sank. Diese Kopplung bestätigte, dass der Mechanismus die reduktive Auflösung von Eisenoxiden war – ein Prozess, bei dem das Eisen seinen Griff auf den Phosphor lockert, sobald die Umgebung feucht und sauerstoffarm wird. Unterhalb der tiefen Schicht, wo der Grundwasserspiegel nicht hinkam, blieben die Phosphorwerte stabil, was bewies, dass die Freisetzung spezifisch an dieser tief liegenden Grenzfläche stattfand.

Die Studie kartierte auch das Ausmaß dieses Phänomens. Mithilfe von Radar fand das Team heraus, dass diese eisenreiche Schicht kontinuierlich über die Landschaft verläuft und 80 bis 90 Prozent des untersuchten Gebiets abdeckt. Dies bedeutet, dass das Potenzial für diese Nährstofffreisetzung kein seltenes lokales Ereignis ist, sondern ein weit verbreitetes Merkmal dieser Ökosysteme. Die Forscher berechneten, dass der in dieser tiefen Schicht gespeicherte Phosphor substanziell genug ist, um eine Ernte je nach Standort zwischen fünf und zweiunddreißig Jahre lang mit Nährstoffen zu versorgen, ohne dass neuer Dünger zugeführt werden muss.

Diese Erkenntnisse haben bedeutende Auswirkungen darauf, wie wir Nährstoffkreisläufe verstehen und Land bewirtschaften. Die Studie legt nahe, dass in vielen Landschaften, die wir als phosphorarman betrachten, tatsächlich eine massive, verborgene Subvention an Nährstoffen existiert, die durch saisonale Wasserfluktuationen mobilisiert werden kann. Dieser Prozess könnte erklären, warum Pflanzen in diesen Gebieten oft besser wachsen als erwartet und warum gelegentlich Phosphor im Abfluss auftaucht, selbst wenn die Oberböden erschöpft scheinen. Die Forscher schlagen vor, dass diese tiefe, redoxsensitive Schicht als Reservoir fungiert, das von Pflanzen mit tiefen Wurzeln oder durch wanderndes Wasser angezapft werden kann.

Die Arbeit weist auch auf neue Wege im Umgang mit Altlasten der Umweltverschmutzung hin. In Gebieten, in denen vergangene Düngung den tiefen Boden mit überschüssigen Nährstoffen belastet hat, könnte diese natürliche Mobilisierung ein Risiko für die Wasserqualität darstellen, da der Phosphor in das Grundwasser und in flussabwärts gelegene Gewässer gelangen kann. Umgekehrt legen die Ergebnisse nahe, dass spezifische Arten von Nutzpflanzen – insbesondere solche, die an nasse Bedingungen angepasst sind und über tiefe Wurzeln verfügen – dazu genutzt werden könnten, diesen tiefen Phosphor „abzuernten“, um die Landschaft im Laufe der Zeit zu reinigen. Die Studie kommt zu dem Schluss, dass man, um die Bodengesundheit und die Nährstoffverfügbarkeit wirklich zu verstehen, tiefer blicken muss und dabei die saisonalen Schwankungen des Wassers sowie die verborgene Chemie des Unterbodens berücksichtigen muss.