30.08.2023 – 11:51

Albert-Ludwigs-Universität Freiburg

Dürrestress verändert Funktion des Regenwaldbodens

Dürrestress verändert Funktion des Regenwaldbodens

• Umfangreiche Messkampagne im experimentellen Regenwald der Biosphäre 2 zeigt die Auswirkungen von Trockenheit und Wiedervernässung auf die Flüsse biogener flüchtiger organischer Verbindungen (VOC) im Boden
• Bei Bodenfeuchtigkeit unter 19 Prozent: Regenwaldboden wandelt sich von Netto-VOC-Senke zu VOC-Produzenten; positionsspezifische 13C--Pyruvat-Markierungsexperimente zeigen Zusammenhang mit Aktivität von Bodenmikroben auf
• Genauere Klimamodellvorhersagen durch Integration von VOC-Flüssen im Boden möglich

Langanhaltende Trockenheit beeinflusst entscheidend, in welchem Maße Regenwaldböden biogene flüchtige organische Verbindungen (VOCs) emittieren und verbrauchen können. Zu diesem Befund kam ein Team aus internationalen Wissenschaftler*innen, an dem Forschende der Universität Freiburg und des Max-Planck-Instituts für Chemie in Mainz beteiligt waren, die die Effekte von Dürre und Regen auf VOC-Flüsse im Boden untersucht haben. Die dazugehörige Messkampagne lief von September 2019 bis Januar 2020 im amerikanischen Forschungszentrum Biosphäre 2. Sie war Teil des Projekts B2WALD (Biosphere 2 Water Atmosphere And Life Dynamic). Dessen Leitung teilen sich Prof. Dr. Christiane Werner, Professorin für Ökosystemphysiologie an der Universität Freiburg, und Dr. Laura Meredith, Direktorin des Forschungszentrums Biosphäre 2 und Assistenzprofessorin an der School of Natural Resources and the Environment der Universität Arizona/USA. Die Messungen der VOC-Flüsse im Boden wurden von Wissenschaftler*innen des Max-Planck-Instituts für Chemie unter der Leitung von Prof. Dr. Jonathan Williams, Leiter der VOC-Gruppe, durchgeführt. Die jüngsten Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlicht.

Verhalten von Bodenmikroben ausschlaggebend

„Die ausgewerteten Daten lassen den Schluss zu, dass fortwährender Dürrestress die Kapazität der Böden, atmosphärische VOCs zu verbrauchen, schrittweise reduziert und der Boden gleichzeitig beginnt, eine Quelle für VOC zu sein. Als kritischen Schwellenwert konnten wir eine Bodenfeuchtigkeit von 19 Prozent identifizieren, unterhalb derer diese Veränderung des Bodenverhaltens eintritt“, sagt Erstautor Dr. Giovanni Pugliese. Positionsspezifische 13C-Pyruvat-Markierungsexperimente im künstlich angelegten tropischen Regenwald führen die Effekte auf das Verhalten von Bodenmikroben zurück, die unter diesen Bedingungen entscheidend mehr atmosphärische VOCs produzieren als sie verbrauchen.

Werden die Böden nach der Dürreperiode wieder nass, nimmt die Emission einiger VOCs sogar zu. „Unsere Messungen haben einen raschen, wenn auch nur kurzen abiotischen Emissionspeak von Carbonylverbindungen nachgewiesen. Ebenso wie einen langsamen, dafür aber andauernderen biotischen Emissionspeak von schwefelhaltigen Verbindungen“, ergänzt Pugliese.

Klimafolgen: Beobachtung von VOC-Flüssen im Boden ermöglicht zuverlässigere Zukunftsprognosen

Die mehrmonatige Messkampagne im experimentellen Regenwald hat rund um die Uhr Daten unter vordefinierten Umweltbedingungen gesammelt. Deren Analyse konnte deutliche Wechselwirkungen zwischen Umweltfaktoren und VOC-Flüssen im Boden aufzeigen. Insbesondere mit Blick auf Klimafolgen wie Hitze und Trockenheit verdeutlicht sie die Relevanz des Verständnisses dieser Zusammenhänge. „Wir wissen nun, dass Dürrestress das Verhalten von VOC-Flüssen in und aus dem Boden stark beeinflussen kann. Da aktuelle Klimamodelle vorhersagen, dass die Amazonas-Regenwaldregion in Zukunft häufiger und länger von Dürren betroffen sein wird, müssen wir diese neu entdeckten Bodeneffekte in atmosphärische Modelle einbeziehen, um die Vorhersage der Reaktion des Ökosystems und die Simulationen der zukünftigen regionalen Atmosphärenchemie und des Klimas zu verbessern“, so Williams.

• Originalpublikation: Giovanni Pugliese, Johannes Ingrisch, Laura K. Meredith, Eva Y. Pfannenstill, Thomas Klüpfel, Kathiravan Meeran, Joseph Byron, Gemma Purser, Juliana Gil-Loaiza, Joost van Haren, Katerina Dontsova, Jürgen Kreuzwieser, S. Nemiah Ladd, Christiane Werner, Jonathan Williams. Effects of drought and recovery on soil volatile organic compound fluxes in an experimental rainforest. In: Nature Communications | (2023)14: 5064. DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-023-40661-8 .
• Dr. Giovanni Pugliese war im Team von Prof. Dr. Christiane Werner an der Fakultät für Umwelt und Natürliche Ressourcen der Universität Freiburg. Zurzeit ist er Postdoktorand am Mainzer Max-Planck-Institut für Chemie in der Forschungsgruppe um Prof. Dr. Jonathan Williams. Sein Forschungsschwerpunkt ist die Messung flüchtiger organischer Verbindungen (VOC) im Boden an der Messstation ATTO im Amazonasregenwald. Webseiten: www.mpic.de/person/123640/4586221 und www.mpic.de/4586680/biosphere.
• Finanziert wurde die Messkampagne aus Mitteln der ERC-Förderlinie Consolidator Grant, die Christiane Werner 2015 zur Umsetzung des ERC-Projekts VOCO2 vom Europäischen Forschungsrat erhalten hat. Das Projekt B2WALD ist ein Baustein von VOCO2.

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