Temporal soil nitrogen dynamics with stand age of Betula platyphylla forests in the permafrost region, Northeast China

Stellen Sie sich den Boden als eine riesige, unterirdische Küche vor, in der Pflanzen ihre Mahlzeiten kochen. Aber es gibt einen Haken: Der wichtigste Inhaltsstoff, Stickstoff, kommt normalerweise in einer Form an, die die Pflanzen nicht essen können – er ist in totem Laub und alten Wurzeln eingeschlossen, wie ein geheimes Rezept in einem Tresor. Um das Essen herauszubekommen, müssen winzige Köche namens Bodenmikroben diese organische Substanz aufbrechen und den Stickstoff freisetzen, um ihn in eine verwertbare Form zu verwandeln. Dieser Freisetzungsprozess wird „Mineralisierung“ genannt. An manchen Orten, wie etwa in warmen tropischen Wäldern, arbeiten diese Köche Überstunden, und die Küche ist immer voll mit fertigem, genießbarem Essen. Doch im kalten Norden, wo der Boden kalt bleibt und oft gefroren ist (Permafrost), sind die Köche träge und die Küche oft leer. Das ist ein großes Problem, denn wenn Pflanzen keinen Stickstoff bekommen können, können sie nicht wachsen, und der ganze Wald gerät in Schwierigkeiten. Wissenschaftler haben sich lange gefragt: Wenn ein Wald älter und größer wird, wird die Bodenküche dann besser darin, die Bäume zu ernähren, oder bleibt sie im langsamen Gang stecken?

Diese Arbeit taucht in diese Frage ein, indem sie eine spezifische Art von Baum untersucht, die Weißbirke (Betula platyphylla), in den gefrorenen Wäldern Nordostchinas. Die Forscher wollten sehen, wie sich die „Küche“ verändert, während der Wald von einem jungen Bestand (25 Jahre alt) zu einem ausgewachsenen Bestand (61 Jahre alt) heranwächst. Sie haben nicht nur geraten; sie sind in das Feld gegangen und haben ein kluges Experiment durchgeführt. Sie nahmen kleine Zylinder aus Boden, ließen sie einen Monat lang im Boden, um zu sehen, was natürlich passiert, und maßen dann, wie viel Stickstoff freigesetzt wurde. Sie fanden heraus, dass der Boden tatsächlich viel besser darin wurde, Stickstoff freizusetzen, wenn der Wald älter wurde, obwohl die Gesamtmenge an „fertigem“ Stickstoff, der im Boden lag, sich nicht wesentlich veränderte. Es stellt sich heraus, dass in diesen kalten Wäldern die älteren Bäume eine geschäftige, effiziente Küche schaffen, in der der Stickstoff ständig recycelt und genutzt wird, anstatt nur irgendwo herumzuliegen.

Die Geschichte der Küche im gefrorenen Wald

Stellen Sie sich den Waldboden wie ein geschäftiges Restaurant vor. Die Bäume sind die Kunden und der Boden ist die Küche. Der wichtigste Inhaltsstoff für das Wachstum der Bäume ist Stickstoff, aber im Boden ist er meistens in einem „gefrorenen“ Zustand in totem Laub und Wurzeln eingeschlossen. Um ihn zu bekommen, muss der Boden einen Zaubertrick vollbühren, die Mineralisierung, bei der winzige Mikroben als Köche fungieren, um die organische Substanz aufzubrechen und Stickstoff in einer Form freizusetzen, die Pflanzen „schlucken“ können.

In den kalten Permafrostregionen Nordostchinas ist diese Küche normalerweise langsam. Der Boden ist kühl und die Köche (Mikroben) sind träge. Aber was passiert, wenn der Wald älter wird? Bekommen die Bäume schließlich eine bessere Küche, oder hält die Kälte alles fest? Ein Team von Wissenschaftlern der Shaoguan University beschloss, dies herauszufinden, indem sie drei verschiedene „Alter“ von Weißbirkenwäldern untersuchten: einen jungen Wald (25 Jahre), einen mittelalten Wald (40 Jahre) und einen alten Wald (61 Jahre).

Das Experiment: Ein Monat im Leben des Bodens

Um zu sehen, wie die Küche funktioniert, haben die Wissenschaftler nicht nur eine Momentaufnahme gemacht, sondern beobachtet, wie der Boden über die Zeit „kocht“. Von Mai bis Oktober 2018 richteten sie eine Reihe von „Inkubatoren“ direkt im Wald ein. Sie steckten Kunststoffröhren (PVC-Kerne) in den Boden, füllten sie mit Erde und ließen sie dort einen Monat lang liegen.

Stellen Sie sich diese Röhren wie kleine Zeitkapseln vor. Die Wissenschaftler nahmen einen Satz Röhren sofort heraus, um zu sehen, wie viel Stickstoff zu Beginn vorhanden war. Dann ließen sie einen anderen Satz einen Monat lang im Boden. Als sie diese einen Monat später herauszogen, konnten sie genau messen, wie viel neuer Stickstoff während dieser Zeit durch die Mikroben „gekocht“ oder freigesetzt worden war. Dies taten sie für fünf verschiedene Monate und untersuchten sowohl die obere Bodenschicht (0–10 cm) als auch die Schicht direkt darunter (10–20 cm).

Was sie fanden: Die Küche wird schneller, aber die Speisekammer bleibt gleich

Die Ergebnisse waren etwas überraschend und sehr interessant.

1. Der „bereit zum Essen“-Haufen wuchs nicht
Als die Wissenschaftler die Gesamtmenge an Stickstoff betrachteten, die zu einem gegebenen Zeitpunkt im Boden vorhanden war (die „Min-N“), war diese über alle drei Waldalter hinweg in etwa gleich groß. Egal, ob der Wald 25 oder 61 Jahre alt war, der Boden enthielt jeweils etwa 8,39 mg·kg⁻¹, 8,15 mg·kg⁻¹ und 8,49 mg·kg⁻¹ Stickstoff. Es ist, als hätte die Speisekammer des Restaurants unabhängig davon, wie alt das Restaurant war, die gleiche Anzahl an Tellern mit Essen.

2. Aber die Köche wurden viel schneller!
Hier wird die Geschichte spannend. Während die Menge an Essen in der Speisekammer sich nicht änderte, nahm die Geschwindigkeit, mit der die Köche es zubereiteten, drastisch zu. Die Rate, mit der Stickstoff freigesetzt wurde (Netto-N-Mineralisierung), stieg signifikant an, je älter der Wald wurde:

• Im 25 Jahre alten Wald lag die Rate bei einem langsamen 0,11 mg·kg⁻¹·d⁻¹.
• Im 40 Jahre alten Wald beschleunigte sie sich auf 0,46 mg·kg⁻¹·d⁻¹.
• Im 61 Jahre alten Wald war sie mit 0,67 mg·kg⁻¹·d⁻¹ am schnellsten.

Das bedeutet, dass in den älteren Wäldern der Stickstoff viel schneller freigesetzt und genutzt wird. Es ist eine Küche mit hoher Umschlaggeschwindigkeit, in der das Essen schnell gekocht, gegessen und recycelt wird, anstatt im Regal zu liegen.

3. Die Form des Essens änderte sich
Die Wissenschaftler bemerkten auch eine Verschiebung dessen, welche Art von Stickstoff verfügbar war. In den jüngeren Wäldern gab es mehr Nitrat (eine spezifische Art von Stickstoff), aber mit zunehmendem Alter des Waldes sank der Nitratgehalt und Ammonium (eine andere Art) stieg an. Es scheint, dass die älteren Wälder besser darin sind, Ammonium festzuhalten, vielleicht weil der kalte und saure Boden es schwieriger macht, Ammonium in Nitrat umzuwandeln.

4. Die obere Schicht ist der VIP-Bereich
Wie in jeder guten Küche ist das oberste Regal das geschäftigste. Die obere Bodenschicht (0–10 cm) war viel aktiver als die Schicht darunter (10–20 cm). Im 40 Jahre alten Wald war die obere Schicht 5,38-mal aktiver als die untere Schicht! Das ergibt Sinn, da dort die Blätter abfallen und die Mikroben leben.

Warum passiert das? Die geheimen Zutaten

Was macht die Küchen der älteren Wälder also so viel schneller? Die Wissenschaftler leisteten Detektivarbeit, um die „Antreiber“ hinter dieser Veränderung zu finden. Sie fanden heraus, dass drei Hauptfaktoren die Fäden ziehen:

1. Bodentemperatur: Selbst kleine Temperaturänderungen halfen den Mikroben, härter zu arbeiten.
2. Gesamtstickstoff: Ältere Wälder hatten von vornherein mehr Gesamtstickstoff im Boden, was den Köchen mehr Rohmaterial gab.
3. Mikrobielle Biomasse: Die älteren Wälder hatten eine größere Population von mikrobiellen „Köchen“, die bereit waren, die Arbeit zu erledigen.

Die Studie legt nahe, dass der Weißbirkenwald mit zunehmendem Alter eine bessere Umgebung für diese winzigen Köche aufbaut. Die Bäume lassen mehr Blätter und Wurzeln fallen, was die Mikroben füttert, welche wiederum den Stickstoff schneller freisetzen. Es ist ein positiver Kreislauf: Größere Bäume bedeuten besseren Boden, und ein besserer Boden unterstützt wiederum größere Bäume.

Das Fazate

Diese Forschung zeigt uns, dass Wälder selbst im kalten, gefrorenen Norden eine Möglichkeit haben, mit dem Alter klüger und effizienter zu werden. Während die Gesamtmenge an Stickstoff, die im Boden liegt, nicht unbedingt anhäuft, wird das System viel dynamischer. Der Stickstoff wird ständig recycelt und den Bäumen zur Verfügung gestellt.

Dies sind gute Nachrichten für die Gesundheit dieser Permafrostwälder. Es deutet darauf hin, dass das Reifenlassen dieser Wälder ein entscheidender Teil davon ist, sie gesund und produktiv zu halten. Die Wissenschaftler hoffen, dass dieses Wissen dem Management helfen wird, diese Wälder zu pflegen und sicherzustellen, dass sie in einem sich verändernden Klima weiterhin gedeihen können. Sie weisen jedoch auch darauf an, dass diese Wälder immer noch langsamer sind als Wälder in wärmeren Regionen, was uns daran erinnert, dass die Kälte im Norden immer noch eine mächtige Kraft ist.