Einfluss der Biodiversität von Pflanzen auf die Speicherung von Kohlenstoff in Böden und auf den Austrag von gelöstem organischem Kohlenstoff

Steinbeiß, Sibylle GND

Die langfristige Speicherung von Kohlenstoff in terrestrischen Ökosystemen stellt eine Möglichkeit dar, dem anthropogen verursachten Anstieg der CO2 – Konzentration in der Atmosphäre und der damit verbundenen Klimaveränderung entgegenzuwirken. Die direkte Aufnahme von CO2 in die Pflanzen stellt lediglich eine vorübergehende Speicherung in Form von Biomasse dar. Erst die Umwandlung dieser Biomasse durch die Gemeinschaft der Bodenorganismen in organische Bodensubstanz führt zu einer langfristigen Speicherung des Kohlenstoffs im Boden. Bisher ist allerdings wenig darüber bekannt, wie die Speicherrate im Boden erhöht werden kann. Es wird angenommen, dass ein erhöhter Eintrag von pflanzlicher Biomasse, insbesondere durch Wurzelbiomasse, in den Boden die Grundlage der Speicherung bildet und dass die Speicherung von der Diversität der Organismengemeinschaften abhängen könnte. Erste Ergebnisse zeigen, dass die Wurzelbiomasse sowohl mit steigender Artenzahl als auch durch diversere Mischungen funktioneller Gruppen in den Pflanzen-gemeinschaften zunimmt aber gleichzeitig die mikrobielle Aktivität und damit der Abbau von Kohlenstoff im Boden angeregt wird. Der Umsatz der eingetragenen Wurzelbiomasse durch die Mikroorganismen setzt ebenfalls lösliche organische Verbindungen frei, die mit dem Sickerwasser durch den Boden transportiert werden. Auf ihrem Weg durch das Bodenprofil werden diese Verbindungen an Mineralpartikel adsorbiert und dem Abbau durch Mikroorganismen wieder entzogen. Die Verlagerung des eingetragenen Materials in tiefere Boden-schichten spielt dementsprechend eine entscheidende Rolle für die langfristige Speicherung von Kohlenstoff im Boden. Wie die Umsatzrate der eingetragenen Wurzelbiomasse und der nachfolgende Transport der freigesetzten organischen Verbindungen von der Biodiversität der Pflanzengemeinschaften abhängt, ist bisher allerdings noch nicht untersucht worden. Diese Arbeit beschäftigt sich speziell mit den Auswirkungen der pflanzlichen Artenvielfalt auf die Entwicklung der Kohlenstoff-speicher im Boden, um diese Lücke in bisherigen Biodiversitäts-untersuchungen zu schließen. Besonderes Augenmerk wird dabei auf die Bedeutung der Diversität für die Verlagerung der Kohlenstoffvorräte mit dem Bodensickerwasser in tiefere Schichten gelegt. Untersuchungen mit Hilfe stabiler Kohlenstoffisotope sollen bestätigen, dass der mit dem Sickerwasser verlagerte Kohlenstoff aus dem Transport der frisch eingetragenen pflanzlichen Verbindungen stammt. Zur Klärung entsprechender Fragen wurde im Frühjahr 2002 ein neues Biodiversitätsexperiment begonnen, in dem eine Forschergruppe der DFG die Auswirkungen der Pflanzenbiodiversität auf trophische Interaktionen und Stoffkreisläufe in bewirtschaftetem Grasland untersucht. Die Versuchsfläche des so genannten „Jena – Experimentes“ befindet sich am nördlichen Stadtrand von Jena in der Saaleaue und wurde jahrelang als Ackerfläche genutzt. In 4 Blöcken wurden auf 92 Plots einer Größe von 20 m x 20 m verschiedene Mischungen aus 60 zufällig gewählten Arten des Artenpools der zentraleuropäischen Frischwiesen ausgesät. Dabei wurden Gradienten in der Artenzahl mit Gradienten in der Anzahl funktioneller Gruppen kombiniert. Die Einteilung der Pflanzen in die funktionellen Gruppen der Gräser, kleinen Kräuter, hohen Kräuter und Leguminosen beruhte auf statistischen Berechnungen. Zur Bestimmung der Änderungen der Kohlenstoffgehalte im Boden mit der Zeit, die unter anderem durch die Nutzungsänderung des Bodens hervorgerufen wird, wurden zu Versuchsbeginn und nach zwei Jahren auf allen Plots Bodenproben bis in eine Tiefe von 30 cm genommen und auf ihre Kohlenstoffgehalte analysiert. Die beobachteten Änderungen wurden mit Hilfe einer Fraktionierung des Bodens nach der Dichte zwei verschiedenen Speicherpools zugeordnet. Die leichte Fraktion mit einer Dichte von weniger als 1,6 g/cm³ repräsentiert den Eintrag an pflanzlichem Material, während in der schweren Fraktion mit einer Dichte von über 1,6 g/cm³ mikrobiell umgesetzte organische Verbindungen erfasst werden, die an der Mineralphase des Bodens adsorbiert sind. Eine kontinuierliche Probenahme von Bodensickerwasser aus 30 cm Tiefe mit Hilfe von Glassinterplatten ermöglichte Untersuchungen zum Export gelöster organischer Verbindungen. Die Abhängigkeit des Transports dieser Verbindungen im Boden von der Diversität wurde anhand zusätzlicher Saugplatten in 10, 20 und 60 cm Tiefe untersucht. In einem Zusatzexperiment wurden Pflanzen mit einem C4 – Photosynthesemechanismus ausgesät, die im Vergleich zu Pflanzen mit einem C3 –Photosynthesemechanismus an 13C angereichert sind und so als natürliche Markierung im Kohlenstoffkreislauf genutzt werden können. Um die Verbindung zwischen der Biodiversität und dem Kohlenstoffeintrag auch auf den C4 – Plots herzustellen, wurde ein höherer Biomasseeintrag, wie er auf diverseren Plots beobachtet wird, durch eine Verlagerung der Streu bei der Mahd simuliert. Anfallende Biomasse wurde von einer Plothälfte entfernt und auf der anderen Plothälfte aufgebracht.

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Steinbeiß, Sibylle: Einfluss der Biodiversität von Pflanzen auf die Speicherung von Kohlenstoff in Böden und auf den Austrag von gelöstem organischem Kohlenstoff. 2006.

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