Abnehmende Stickstoffverfügbarkeit in unserer stickstoffreichen Welt

Seit Mitte des 20. Jahrhunderts haben sich Forschung und Diskussion auf die negativen Auswirkungen von Stickstoffüberschüssen auf terrestrische und aquatische Ökosysteme konzentriert. Neue Erkenntnisse deuten jedoch darauf hin, dass sich die Stickstoffverfügbarkeit in der Welt in zwei Richtungen entwickelt. Nach Jahren der Aufmerksamkeit für überschüssigen Stickstoff in der Umwelt hat unser sich entwickelndes Verständnis zu neuen Bedenken hinsichtlich eines Stickstoffmangels in Gebieten der Welt geführt, die keinen signifikanten Stickstoffeintrag durch menschliche Aktivitäten erhalten. In einer neuen Übersichtsarbeit mit dem Titel „Evidence, Causes, and Consequences of Declining Nitrogen Availability in Terrestrial Ecosystems“ (Beweise, Ursachen und Folgen der abnehmenden Stickstoffverfügbarkeit in terrestrischen Ökosystemen) in der Fachzeitschrift Science beschreibt ein Forscherteam aus mehreren Institutionen die Ursachen für die abnehmende Stickstoffverfügbarkeit und die Auswirkungen auf die Ökosystemfunktionen.

„Es gibt gleichzeitig zu viel und zu wenig Stickstoff auf der Erde“, sagt Rachel Mason, Hauptautorin der Studie und ehemalige Postdoktorandin am National Socio-Environmental Synthesis Center.

Im Laufe des letzten Jahrhunderts hat der Mensch das weltweite Angebot an reaktivem Stickstoff durch industrielle und landwirtschaftliche Aktivitäten mehr als verdoppelt. Dieser Stickstoff konzentriert sich in Flüssen, Binnenseen und Küstengewässern, was manchmal zu Eutrophierung, sauerstoffarmen toten Zonen und schädlichen Algenblüten führt. Diese negativen Auswirkungen des Stickstoffüberschusses haben Wissenschaftler dazu veranlasst, Stickstoff als Schadstoff zu untersuchen. Der steigende Kohlendioxidgehalt und andere globale Veränderungen haben jedoch die Nachfrage von Pflanzen und Mikroben nach Stickstoff erhöht, und die neu veröffentlichte Arbeit des Forscherteams zeigt, dass die Verfügbarkeit von Stickstoff in vielen Regionen der Welt abnimmt, was erhebliche Auswirkungen auf das Pflanzenwachstum hat.

„Diese Ergebnisse zeigen, wie sich die Welt auf komplexe und überraschende Weise verändert“, so Peter Groffman, Mitautor der Studie und Professor am Advanced Science Research Center der Environmental Science Initiative des CUNY Graduate Center. „Unsere Ergebnisse zeigen, wie wichtig es ist, über langfristige Daten zu verfügen und gezielte Synthesebemühungen zu unternehmen, um diese Veränderungen und ihre Auswirkungen auf die Gesundheit und das Wohlergehen von Ökosystemen und Menschen zu verstehen.

Die Forscher untersuchten langfristige globale und regionale Studien und fanden Beweise für eine abnehmende Stickstoffverfügbarkeit, die durch mehrere Umweltveränderungen verursacht wird, darunter auch durch erhöhte Kohlendioxidwerte in der Atmosphäre. Der atmosphärische Kohlendioxidgehalt hat den höchsten Stand seit Millionen von Jahren erreicht, und die Landpflanzen sind etwa 50 % mehr von dieser wichtigen Ressource ausgesetzt als noch vor 150 Jahren. Erhöhtes atmosphärisches Kohlendioxid düngt die Pflanzen, ermöglicht ein schnelleres Wachstum, verdünnt dabei aber den pflanzlichen Stickstoff. Diese Vorgänge wurden in Experimenten beobachtet, bei denen der Kohlendioxidgehalt in der Luft in der Umgebung von Pflanzen künstlich erhöht wurde, und es gibt jetzt Hinweise darauf, dass Pflanzen in der Natur auf die gleiche Weise reagieren.

Stickstoff ist ein wesentliches Element für Pflanzen und die Tiere, die sie fressen. Gärten, Wälder und Fischereien sind alle produktiver, wenn sie mit Stickstoff gedüngt werden. Wenn weniger Stickstoff für die Pflanzen zur Verfügung steht, wachsen die Bäume langsamer und ihre Blätter sind weniger nahrhaft für Insekten, was nicht nur das Wachstum und die Fortpflanzung von Insekten, sondern auch von Vögeln und Fledermäusen, die sich von ihnen ernähren, beeinträchtigen kann.

„Wenn weniger Stickstoff zur Verfügung steht, halten alle Lebewesen das Element länger fest, wodurch sich der Stickstofffluss von einem Organismus zum anderen in der Nahrungskette verlangsamt. Deshalb kann man sagen, dass der Stickstoffkreislauf ins Stocken gerät“, so Andrew Elmore, leitender Autor der Studie und Professor für Landschaftsökologie am University of Maryland Center for Environmental Science und am National Socio-Environmental Synthesis Center.

Neben dem Anstieg des atmosphärischen Kohlendioxids wirkt sich der globale Temperaturanstieg auch auf pflanzliche und mikrobielle Prozesse aus, die mit dem Stickstoffangebot und -bedarf zusammenhängen. Die Erwärmung verbessert häufig die Wachstumsbedingungen, was zu längeren Vegetationsperioden führen kann, so dass der Stickstoffbedarf der Pflanzen das Angebot in den Böden übersteigt. Störungen, einschließlich Waldbrände, können ebenfalls Stickstoff aus den Systemen entfernen und die Verfügbarkeit mit der Zeit verringern.

Stickstoff ist ein wesentliches Element für das Pflanzenwachstum, und seine abnehmende Verfügbarkeit hat das Potenzial, die Fähigkeit der Pflanzen, Kohlendioxid aus der Atmosphäre zu entfernen, einzuschränken. Derzeit speichert die Pflanzenbiomasse weltweit fast so viel Kohlenstoff wie in der Atmosphäre enthalten ist, und die Kohlenstoffspeicherung in der Biomasse nimmt jedes Jahr zu. In dem Maße, wie die pflanzliche Kohlenstoffspeicherung das atmosphärische Kohlendioxid reduziert, trägt sie zur Verringerung des globalen Erwärmungspotenzials der Atmosphäre bei. Die abnehmende Stickstoffverfügbarkeit gefährdet jedoch den jährlichen Anstieg der pflanzlichen Kohlenstoffspeicherung, indem sie das Pflanzenwachstum einschränkt. Daher müssen Klimawandelmodelle, die versuchen, den in der Biomasse gespeicherten Kohlenstoff zu schätzen, einschließlich der Trends im Laufe der Zeit, die Stickstoffverfügbarkeit berücksichtigen.

„Trotz deutlicher Anzeichen für eine abnehmende Stickstoffverfügbarkeit an vielen Orten und in vielen Zusammenhängen sind die räumlichen und zeitlichen Muster noch nicht gut genug bekannt, um die globalen Bewirtschaftungsmaßnahmen effizient zu steuern“, so Elmore. In Zukunft könnten diese Daten in einem jährlichen Bericht über den Zustand des Stickstoffkreislaufs oder in einer globalen Karte der sich verändernden Stickstoffverfügbarkeit zusammengefasst werden, die eine umfassende Ressource für Wissenschaftler, Manager und politische Entscheidungsträger darstellen würde.

Datum: April 14, 2022
Quelle: Advanced Science Research Center, GC/CUNY


Journal Reference:

  1. Rachel E. Mason, Joseph M. Craine, Nina K. Lany, Mathieu Jonard, Scott V. Ollinger, Peter M. Groffman, Robinson W. Fulweiler, Jay Angerer, Quentin D. Read, Peter B. Reich, Pamela H. Templer, Andrew J. Elmore. Evidence, causes, and consequences of declining nitrogen availability in terrestrial ecosystemsScience, 2022; 376 (6590) DOI: 10.1126/science.abh3767

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