Wüstenböden betreiben einen eigenen Kohlenstoffkreislauf, ganz ohne Hilfe von Lebewesen. Forscher der University of California in Berkeley haben in der Mojave-Wüste nachgewiesen, dass Minerale im Boden nachts Kohlendioxid aus der Luft binden und es tagsüber wieder freigeben. Dieser physikalische Austausch kann so groß werden wie die Atmung der Bodenlebewesen oder sie sogar übertreffen. Die Studie erschien am 23. September im Fachjournal Science Advances.
Böden spielen im globalen Kohlenstoffkreislauf eine zentrale Rolle. Pflanzen nehmen Kohlendioxid aus der Luft auf und wandeln es durch Photosynthese in Zucker und andere organische Stoffe um. Über Wurzeln, abgestorbene Pflanzenteile und Bodenpilze gelangt ein Teil dieses Kohlenstoffs in den Boden. Dort zersetzen Mikroorganismen das organische Material und atmen dabei wieder Kohlendioxid aus, das aus dem Boden in die Atmosphäre entweicht. Diese sogenannte Bodenatmung gilt seit Langem als der entscheidende Weg, auf dem Böden Kohlendioxid mit der Luft austauschen. Wie viel Kohlendioxid ein Boden abgibt, wird deshalb in Klimamodellen fast ausschließlich über biologische Prozesse berechnet. Wüsten spielen in diesen Rechnungen meist nur eine Nebenrolle, weil dort wenig wächst und die Bodenatmung gering ist. Dabei bedecken Trockengebiete rund 41 Prozent der Landfläche der Erde. Eine neue Studie aus Berkeley zeigt nun, dass dort ein weiterer, bislang übersehener Prozess abläuft.
Die Doktorandin Anna Abramova und der Bodenforscher Ronald Amundson vom Department of Environmental Science, Policy, and Management der UC Berkeley untersuchten die Böden der Mojave-Wüste im Südwesten der USA. Dabei stießen sie auf einen täglichen Zyklus, der nichts mit Lebewesen zu tun hat, wie die UC Berkeley in ihrer Mitteilung beschreibt. Wenn die Temperaturen nachts fallen, lagern sich Kohlendioxidmoleküle aus der Luft an Mineralen und anderen feinen Partikeln im Boden an. Fachleute bezeichnen diesen Vorgang als Adsorption: Die Moleküle haften an der Oberfläche der Körner, ohne chemisch mit ihnen zu reagieren. Sobald die Sonne aufgeht und der Boden sich erwärmt, lösen sich die Moleküle wieder und kehren als Gas in die Atmosphäre zurück. Der Wüstenboden atmet also gewissermaßen nachts ein und tagsüber aus.
Dass dieser Kreislauf so lange übersehen wurde, hat einen einfachen Grund. In feuchten, dicht bewachsenen Böden ist die biologische Bodenatmung so stark, dass sie den physikalischen Austausch überdeckt. Erst wenn die Aktivität der Mikroorganismen gering ist, wird der temperaturgesteuerte Zyklus sichtbar, und genau das ist in Wüsten der Fall. Amundson betont, dass dieser nicht biologische Fluss dann vergleichbar groß werden kann wie sein biologisches Gegenstück, zeitweise sogar größer. Bislang gingen Forscher davon aus, dass der Kohlendioxidaustausch von Böden vollständig von Lebewesen angetrieben wird. Für Abramova bietet der neu dokumentierte Zyklus deshalb eine alternative Erklärung dafür, wie Böden Kohlenstoff mit der Luft austauschen. Wer Messungen aus Wüsten allein biologisch deutet, könnte die Aktivität von Mikroben und Pflanzen dort über- oder unterschätzen. Die Forscher sehen darin einen Grund, bisherige Daten aus Trockengebieten neu zu bewerten.
Ganz neu ist die Beobachtung, dass Wüstenböden nachts Kohlendioxid aufnehmen, allerdings nicht. Schon vor fast zwei Jahrzehnten sorgten Messungen in der Mojave-Wüste in Nevada für Aufsehen, weil der Wüstenboden dort pro Quadratmeter ähnlich viel Kohlendioxid aufzunehmen schien wie manche Wälder gemäßigter Breiten. Ähnliche nächtliche Aufnahmen wurden später auch in anderen Wüsten beobachtet, etwa in der Chihuahua-Wüste, in der Wüste Gurbantünggüt in China und sogar in einem Trockental der Antarktis. Zur Erklärung wurden verschiedene Mechanismen vorgeschlagen, etwa dass sich Kohlendioxid nachts in dünnen Wasserfilmen im Boden löst oder mit Kalk reagiert. Die neue Studie rückt nun die Anlagerung an Mineraloberflächen in den Mittelpunkt und beschreibt sie als temperaturgetriebenen Tageszyklus. Wie sich Stoffe unbemerkt in Umweltkreisläufen anreichern, zeigte kürzlich auch eine Untersuchung, nach der Ozonschutz-Kältemittel zum neuen Umweltproblem werden.
Die Ergebnisse könnten die Berechnung des globalen Kohlenstoffhaushalts verfeinern. Weil Trockengebiete einen so großen Teil der Landfläche bedecken, könnte der physikalische Austausch in der Summe einen überraschend großen Anteil am jährlichen Kohlenstoffaustausch zwischen Boden und Atmosphäre ausmachen, wie die Autoren in der in Science Advances veröffentlichten Studie darlegen. Wichtig ist dabei die Unterscheidung zwischen Austausch und Speicherung: Was nachts gebunden wird, entweicht tagsüber weitgehend wieder. Der Zyklus entzieht der Atmosphäre also nicht automatisch dauerhaft Kohlendioxid. Er verändert aber die Messwerte, auf denen Klimamodelle beruhen, und damit die Abschätzung, wie viel Kohlenstoff Böden tatsächlich aufnehmen oder abgeben. Genaue Zahlen dazu, welchen Anteil der Prozess weltweit ausmacht, müssen weitere Messungen in anderen Trockengebieten liefern.
Amundson sieht in dem Mechanismus auch einen möglichen Ansatz für naturbasierte Klimaschutzmaßnahmen. Wenn bestimmte Minerale Kohlendioxid besonders gut binden, ließe sich vielleicht untersuchen, unter welchen Bedingungen ein Teil davon länger im Boden verbleibt, etwa durch chemische Umwandlung in stabile Karbonate. Solche Überlegungen stehen allerdings noch ganz am Anfang. Zunächst wollen die Forscher klären, wie stark der Effekt je nach Bodenart, Mineralzusammensetzung, Feuchtigkeit und Jahreszeit schwankt. Da sich Wüsten durch den Klimawandel in vielen Regionen ausdehnen, gewinnt die Frage zusätzlich an Bedeutung. Wie schnell sich natürliche Systeme unter der Erwärmung verändern, zeigt auch die Arktis, wo die Schmelzsaison heute 40 Tage länger dauert als 1979. Die Wüstenböden der Mojave zeigen, dass selbst scheinbar tote Landschaften aktiv am Klimageschehen teilnehmen.
Science Advances, Thermally driven CO2 adsorption/desorption and its effect on soil respiration; doi:10.1126/sciadv.aed9979