Trockengebiete wie Wüsten, Steppen und Savannen stellen gemeinsam die größten natürlichen Ökosysteme der Erdoberfläche dar. Sie sind Lebensraum für nahezu 40 % der Weltbevölkerung, unterliegen jedoch raschen Veränderungen ihrer Landnutzung. Aktuelle globale Bewertungen, darunter jene des Weltklimarats (IPCC), unterstreichen daher wie wichtig es ist, die Entwicklung von Trockengebieten unter zukünftigen Szenarien des Klimas und der Landnutzung zu verstehen.
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 10% des Kohlenstoffs der Landoberfläche, aber etwa 30% 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 bisher nicht gesichert.
Forschende am Max-Planck-Institut für Biogeochemie nutzen 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 Dr. Jianbei Huang, Gruppenleiter am Max-Planck-Institut für Biogeochemie und Letztautor der Studie. „Um diese wichtige Wissenslücke schließen zu können, untersuchten wir Bodenproben die entlang breiter Umwelt- und Klimagradienten in Trockengebieten gesammelt wurden.“
Dafür analysierte Hui Wang, Doktorandin und Erstautorin der in Nature Communications veröffentlichten Studie, 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 auch der freigesetzte organische Kohlenstoff sind deutlich älter als früher geschätzt wurde“, sagt 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 Wang. Wenn trockene Böden befeuchtet werden, wird selbst alter Kohlenstoff von Mikroorganismen abgebaut und als CO₂ freigesetzt.
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 Dr. 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“, ergänzt Prof. Trumbore, Direktorin am Max-Planck-Institut für Biogeochemie in Jena.
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“, sagt Prof. Susan Trumbore.
Die Studie wurde im Rahmen eines interdisziplinären Projekts durchgeführt, das von Prof. Susan Trumbore und Dr. Jianbei Huang am Max-Planck-Institut für Biogeochemie (MPI-BGC) sowie von Prof. Bojie Fu und Prof. Nan Lu am Forschungszentrum für Öko-Umweltwissenschaften der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (CAS-RCEES) geleitet wurde. Die Studie profitierte in hohem Maße von den Probenahmen und den Laboranalysen eines großen internationalen Forschungsteams, das von Prof. Fernando T. Maestre an der King Abdullah University of Science and Technology, Saudi Arabien koordiniert wurde. „Diese Studie zeigt auch, wie wichtig die internationale Zusammenarbeit von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern ist, um die komplexen Herausforderungen von Trockengebieten in einer sich wandelnden Welt zu bewältigen“, schließt Dr. Huang.
Max-Planck-Institut für Biogeochemie
Originalpublikation:
Wang, H., Maestre, F.T., Lu, N. et al. Persistence and turnover of soil organic carbon in global drylands. Nat Commun17, 3565 (2026). doi.org/10.1038/s41467-026-70623-9
