Intensifying phosphorus limitation accelerates the global decline of the CO₂ fertilization effect

Seit Jahrzehnten fungiert das Land der Erde als massiver Schutzschild gegen den Klimawandel, indem es etwa ein Drittel des Kohlendioxids absorbiert, das Menschen in die Luft freisetzen. Diese Fähigkeit beruht auf einem Phänomen, das Wissenschaftler als Kohlendioxid-Düngungseffekt bezeichnen. Man kann es sich wie einen natürlichen Schub vorstellen: Wenn die Atmosphäre mit mehr Kohlendioxid gefüllt wird, wachsen Pflanzen im Allgemeinen schneller und größer, weil sie mehr von dem Rohstoff haben, den sie zum Aufbau von Blättern und Holz benötigen. Dieses zusätzliche Wachstum hat dazu beigetragen, das Tempo der globalen Erwärmung zu verlangsamen. Jüngste Beobachtungen deuten jedoch darauf hin, dass dieser hilfreiche Schub nachlässt. Die Frage, die Forscher nachts wachhält, ist das Warum. Jahrelang war die führende Theorie, dass den Pflanzen das Wasser ausgeht oder dass die Luft zu trocken für ihr Gedeihen wird. Doch eine neue Studie deutet darauf an, dass die Geschichte komplizierter ist und auf einen anderen, oft übersehenen Mangel hinweist, der die Fähigkeit des Planeten, Kohlenstoff aufzunehmen, im Stillen untergräbt.

Ein Forschungsteam unter der Leitung von Jing Peng von der Sun Yat-sen Universität machte sich daran, diesen schwindenden Schub zu untersuchen. Sie kombinierten langfristige Satellitenbilder des Pflanzenwachstums mit komplexen Computersimulationen, die verfolgen, wie Kohlenstoff, Stickstoff und Phosphor durch den Boden und die Pflanzen wandern. Ihr Ziel war es zu sehen, ob der Rückgang des Pflanzenwachstums durch trockene Bedingungen oder durch einen Mangel an Nährstoffen, speziell Phosphor, angetrieben wurde. Phosphor ist ein lebenswichtiger Mineralstoff, den Pflanzen benötigen, um Energie zu speichern und DNA aufzubauen, aber im Gegensatz zu Stickstoff, der aus der Luft aufgenommen werden kann, muss Phosphor aus Gesteinen im Boden „abgebaut“ werden. Die Forscher fanden heraus, dass Wasserstress zwar eine Rolle spielt, aber nicht die ganze Geschichte ist. Tatsächlich leiden die Pflanzen in vielen Teilen der Welt nicht unter einem Mangel an Regen. Stattdessen stoßen sie gegen eine Wand, weil sie nicht genug Phosphor bekommen können, um das zusätzliche Kohlendioxid zu verarbeiten.

Die Studie konzentrierte sich auf die Jahre zwischen 1982 und 2015, einem Zeitraum, in dem der Kohlendioxidgehalt in der Atmosphäre stetig anstieg. Das Team maß, wie viel zusätzliches Pflanzenwachstum pro Anstieg des Kohlendioxids erfolgte – eine Rate, die weltweit sinkt. Sie entdeckten, dass dieser Rückgang in spezifischen Regionen am schnellsten geschah, in denen die Phosphorbeschränkung intensiver wurde. Diese Gebiete, zu denen Teile der Tropen und der nördlichen Hochbreiten gehören, sahen eine Abschwächung des Kohlendioxid-Düngungseffekts in einer Rate von etwa 2,28 Prozent pro Anstieg des Kohlendioxids um 100 ppm (parts per million). Dies war etwas schneller als der globale Durchschnitt und merklich schneller als in anderen Regionen. Entscheidend war, dass die Forscher die Wetterdaten für diese spezifischen Gebiete überprüften und feststellten, dass sie dort keine härteren Dürren oder höheren Temperaturen erlebten als der Rest der Welt. In einigen Fällen war das Klima sogar milder. Diese Diskrepanz bedeutete, dass der schnellere Rückgang des Pflanzenwachstums nicht auf das Wetter zurückgeführt werden konnte.

Um zu verstehen, was im Inneren der Pflanzen geschah, untersuchten die Forscher das chemische Gleichgewicht ihrer Blätter. Sie fanden heraus, dass in den Regionen, in denen der Wachstumsschub am schnellsten nachließ, sich das Verhältnis von Stickstoff zu Phosphor in den Blättern in einer Weise verschob, die auf einen schweren Mangel hindeutete. Während die Pflanzen versuchten, aufgrund des zusätzlichen Kohlendioxids schneller zu wachsen, verlangten sie nach mehr Phosphor, aber der Boden konnte ihn nicht schnell genug liefern. Dies schuf einen Engpass. Die Computersimulationen zeigten, dass dieser Nährstoffmangel ebenso mächtig eine Beschränkung für das Pflanzenwachstum darstellte wie die Trockenheit der Luft. In diesen phosphorlimitierten Zonen hob der Mangel an Nährstoffen den Nutzen des zusätzlichen Kohlendioxids effektiv auf. Die Pflanzen versuchten zu wachsen, aber ihnen gingen die essenziellen Zutaten aus, die sie zum Aufbau ihrer Körper benötigen.

Die Auswirkungen dieses Befundes variieren je nach Art des Waldes. Die Studie zeigte, dass Mischwälder, die in den nördlichen Hochbreiten häufig vorkommen, am anfälligsten waren. In diesen Gebieten sank die Fähigkeit der Pflanzen, zusätzliches Kohlendioxid für das Wachstum zu nutzen, um fast 5 Prozent pro 100 ppm Anstieg des Kohlenstoffs. Im Gegensatz dazu zeigten immergrüne Laubwälder in den Tropen, die sich über Millionen von Jahren an phosphorarme Böden angepasst haben, einen deutlich geringeren Rückgang. Diese tropischen Bäume haben kluge Strategien entwickelt, um Phosphor effizient zu recyceln, was es ihnen ermöglicht, ihren Wachstumsvorteil länger aufrechtzuerhalten. Der schnelle Rückgang in den nördlichen Wäldern ist jedoch ein Grund zur Sorge, da diese Ökosysteme derzeit wichtige Treiber der globalen Kohlenstoffsenke sind. Wenn ihre Fähigkeit, Kohlenstoff zu absorbieren, schneller nachlässt als erwartet, ist die natürliche Verteidigung des Planeten gegen den Klimawandel weniger robust als bisher angenommen.

Die Forscher verfolgten auch den Fluss der Nährstoffe durch das gesamte Ökosystem, von lebenden Bäumen über abgestorbene Blätter bis hin zum Boden unter ihnen. Sie fanden heraus, dass das Verhältnis von Kohlenstoff zu Phosphor in allen diesen Speichern zunahm, was bedeutet, dass Kohlenstoff viel schneller im System akkumuliert wurde, als Phosphor nachgeliefert werden konnte. Dieses Ungleichgewicht deutet auf einen sich selbst verstärkenden Zyklus hin: Während die Pflanzen wachsen, binden sie mehr Kohlenstoff, aber der Phosphor, der für dieses Wachstum notwendig ist, bleibt knapp. Die abgestorbenen Blätter, die zu Boden fallen, werden kohlenstoffreicher, aber phosphorärmer, was den Zersetzungsprozess verlangsamt und die Rückkehr von Nährstoffen in den Boden weiter einschränkt. Dies schafft eine Rückkopplungsschleife, in der der Akt des schnelleren Wachstums letztlich zu einem größeren Mangel an den Nährstoffen führt, die für das weitere Wachstum erforderlich sind.

Diese Studie stellt die lang gehegte Annahme infrage, dass Wasser die primäre Grenze für die Menge an Kohlenstoff ist, die das Land absorbieren kann. Während Trockenheit zweifellos eine Rolle spielt, deutet die Forschung darauf hin, dass in vielen Gebieten der wahre Engpass die Verfügbarkeit von Phosphor ist. Die Autoren legen nahe, dass aktuelle Computermodelle, die zur Vorhersage des zukünftigen Klimawandels verwendet werden, diesen dynamischen Nährstoffkreislauf oft übersehen. Indem sie nicht berücksichtigen, wie sich die Phosphorbeschränkung im Laufe der Zeit intensiviert, könnten diese Modelle überbewerten, wie viel Kohlenstoff die Wälder der Erde in den kommenden Jahrzehnten speichern können. Wenn das Land nicht so viel Kohlenstoff aufnehmen kann, wie wir hoffen, wird die Konzentration von Kohlendioxid in der Atmosphäre schneller steigen, was zu einer schnelleren Erwärmung führt. Die Ergebnisse dienen als Erinnerung daran, dass die Systeme der Erde tief miteinander vernetzt sind und dass die Lösung des Klimapuzzles nicht nur die Betrachtung der Luft und des Wassers erfordert, sondern auch der unsichtbaren Chemie des Bodens unter unseren Füßen.