Trockengebiete wie Wüsten, Steppen und Savannen stellen gemeinsam die größten natürlichen Ökosysteme der Erdoberfläche dar. Sie sind Lebensraum für nahezu vierzig Prozent der Weltbevölkerung, unterliegen jedoch raschen Veränderungen ihrer Landnutzung.

Nur wenn die biogeochemischen Prozesse dieser Ökosysteme verstanden sind, kann eine nachhaltige Entwicklung der Trockengebiete erfolgen. Der Kohlenstoffkreislauf spielt dabei eine besondere Rolle. Trockengebiete enthalten zwar nur etwa zehn Prozent des Kohlenstoffs der Landoberfläche, aber etwa dreißig Prozent des Kohlenstoffs der global in den Böden gespeichert wird.

Die Kohlenstoffaufnahme und -freisetzung der Böden hängt stark von der Verfügbarkeit von Wasser ab und kann je nach Niederschlagsmengen stark schwanken. Dies trägt auch zu Schwankungen des globalen Kohlenstoffaustauschs zwischen Land und Atmosphäre bei. Wie der organische Bodenkohlenstoff in Trockengebieten auf jährliche Schwankungen des Niederschlags und Veränderungen der Landbewirtschaftung genau reagiert, ist aber bisher nicht gesichert.

Forschende am Max-Planck-Institut für Biogeochemie haben nun mit Radiokohlenstoff-Messungen gezeigt, dass organischer Kohlenstoff in Oberböden von Trockengebieten deutlich älter ist als bisher angenommen, im Durchschnitt etwa 2.000 Jahre. Auch alter Kohlenstoff in Böden kann der Studie nach von Mikroorganismen abgebaut und als CO₂ freigesetzt werden, sobald diese befeuchtet werden.

Die Forschenden nutzten Radiokohlenstoffmessungen, um das Alter und die Umschlagszeit von organischem Kohlenstoff in Böden zu ermitteln. Zur Untersuchung des Kohlenstoffkreislaufs in Wäldern und feuchten Ökosystemen werden solche Messungen bereits häufig eingesetzt.

Die für feuchtere Systeme geltenden Prozesse müssen jedoch nicht unbedingt auf trockene, aride Systeme übertragbar sein. „Es gibt überraschend wenige Radiokohlenstoffmessungen für Trockengebiete, weshalb wir nur schwer verstehen, wie lange Böden dort Kohlenstoff speichern und freisetzen“, sagt Jianbei Huang vom Max-Planck-Institut: „Um diese wichtige Wissenslücke schließen zu können, untersuchten wir Bodenproben die entlang breiter Umwelt- und Klimagradienten in Trockengebieten gesammelt wurden.“

Dafür analysierte die Doktorandin Hui Wang den Gehalt an Radiokohlenstoff in organischen Bodenproben sowie in CO₂, das aus Böden freigesetzt wurde. Die Proben dafür wurden von internationalen Teams an 97 Standorten in Trockengebieten von sechs Kontinenten gesammelt.

Der organische Kohlenstoff in Bodenproben war im Durchschnitt mehr als 2.000 Jahre alt, der in CO₂-Proben etwa 500 Jahre alt – beide deutlich älter als von Modellen vorhergesagt. „Der in Trockengebieten gespeicherte und und auch der freigesetzte organische Kohlenstoff sind deutlich älter als früher geschätzt wurde“, sagt Hui Wang.

Um zu verstehen, welche Faktoren das Alter des Kohlenstoffs steuern, untersuchte das Team, wie sich Klima-, Pflanzen- und Bodeneigenschaften darauf auswirken. Das Kohlenstoffalter sowohl in organischen Bodenproben und in freigesetztem CO₂ wurde stark von Trockenheit, pflanzlicher Produktivität und der Menge an organischem Kohlenstoff im Boden beeinflusst. „In Trockengebieten ist aber für die Alterung von Bodenkohlenstoff die Trockenheit wichtiger als die Temperatur, da Wasser das Pflanzenwachstum und somit die Zufuhr neuen Kohlenstoffs in den Boden steuert“, erklärt Hui Wang. Wenn trockene Böden befeuchtet werden, wird selbst alter Kohlenstoff von Mikroorganismen abgebaut und als CO₂ freigesetzt.

Radiokohlenstoffmessung entscheidend für Studie

Die neuen Ergebnisse tragen dazu bei, die Veränderungen des organischen Bodenkohlenstoffs und dessen Stabilität in Trockengebieten unter zukünftigen Klima- und Landnutzungsänderungen zu beleuchten. „Wenn Trockengebiete im Zuge des Klimawandels noch trockener werden, kann Kohlenstoff zwar länger im Boden verbleiben, doch die Böden könnten andererseits weniger zusätzlichen Kohlenstoff aus der Atmosphäre aufnehmen“, sagt Jianbei Huang.

„Landbewirtschaftungsmaßnahmen, die den Kohlenstoffeintrag durch Vegetation erhöhen, etwa durch Aufforstung, können Böden helfen, mehr Kohlenstoff zu speichern. Allerdings könnten sie gleichzeitig den Kohlenstoffumsatz beschleunigen und die Fähigkeit der Böden verringern, langfristig zusätzlichen Kohlenstoff zu speichern“, erklärt Susan Trumbore, Direktorin des Instituts.

Die Methode der Radiokohlenstoffmessung war entscheidend für diese Studie. Der natürliche radioaktive Zerfall von Radiokohlenstoff ermöglicht, das Alter von Bodenkohlenstoff über Zeiträume von Hunderten bis Tausenden von Jahren abzuschätzen. Darüber hinaus konnten durch die Messung zusätzlichen Radiokohlenstoffs, der aufgrund der Kernwaffentests in den 1960er Jahren entstand, in den letzten sechs Jahrzehnten die Kohlenstoffumsätze in organischer Substanz über kürzere Zeiträume von Jahren bis Jahrzehnten erfasst werden. „Radiokohlenstoff ist somit ein sehr leistungsfähiges empirisches Werkzeug, um zu untersuchen, wie lange Kohlenstoff gespeichert wurde und wie schnell er zwischen dem Land und der Atmosphäre zirkuliert“, so Susan Trumbore.