Von der Anpassung an wechselnde Jahreszeiten einmal abgesehen, Pflanzen müssen sich wenig selbst an variable Umweltbedingungen anpassen. Der Erdboden speichert für sie unter anderem Regenwasser und Nährstoffe und stellt anschließend – gewissermaßen jederzeit abrufbar – alles zur Verfügung. Selbst Schadstoffe hält der Boden fern von Pflanzen. Was allerdings passiert, wenn der Boden solche „Dienstleistungen“ durch Übernutzung (Strapazierung) nicht mehr erbringen kann, haben Geoökologe Hermann Jungkunst und sein Team gemeinsam mit Forschenden aus Hamburg, Bonn, Kassel, Berlin und Hannover untersucht. Konkret geht es um die Frage, wann ein sogenannter Kipppunkt erreicht ist: „Ob man das Erreichen erkennen kann, bevor es zu spät ist.“
PRODIGY* heißt das dazugehörige Forschungsprojekt, gefördert wurde es vom damaligen Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF; heute BMFTR). Ein Kipppunkt sei eine plötzliche Veränderung, erklärt Hermann Jungkunst zu den Hintergründen. Wie ein Damm, der reißt – der kein Wasser mehr halten kann – wenn der Druck, der Stress, zu hoch ist oder zu lange andauert – und das System kippt. Für den Boden könne das heißen: „Eine Zeit lang geht es gut. Landwirtschaftlich genutzter Boden kann Trockenheit lange kompensieren.“ Doch plötzlich und kaum reversibel, also umkehrbar, gehe das nicht mehr.
Forschungsschwerpunkt war das Dreiländereck im Amazonasgebiet – Bolivien, Brasilien und Peru, eine besonders artenreiche Gegend und zugleich eine Region, die von Trockenheit bedroht ist. Die Idee sei es laut Jungkunst gewesen, die Auswirkungen auf die Ökosysteme durch drei unterschiedliche Gesellschaften zu verstehen. Gemeinsam mit seinem Team sei er im Rahmen des interdisziplinären Projektes insbesondere chemisch-physikalischen Fragestellungen nachgegangen, konkretisiert er seinen Part bei der Sache. Genauer gesagt: Das von ihm geleitete Forschungsteam hat sich angeschaut, ob ein Boden andere Treibhausgase abgibt, je nachdem, ob er sich in einem intakten Regenwaldgebiet befindet – oder ob er länger schon landwirtschaftlich genutzt wird: „Also, ob ein Kipppunkt durch die landwirtschaftliche Nutzung des Bodens erreicht wurde.“
Die weiteren Partner von PRODIGY haben sich anderen Teilaspekten gewidmet, fügt Jungkunst an. Auch hierbei ging es um die Frage, welche Auswirkungen es hat, wenn es zu einem Kipppunkt kommt. Jungkunst: „Hintergrund ist, dass Veränderungen im Ökosystem Boden Auswirkungen auf andere – damit verbunden Systeme – haben kann." Gemeint seien wirtschaftliche und soziale Systeme. In Zeiten eines steigenden Goldpreises konnten die Forschenden etwa beobachten, das Gold-Schürfen für die einheimische Bevölkerung manchenorts bereits jetzt wirtschaftlich deutlich lukrativer ist als Landwirtschaft. „Das Schürfen von Gold ist eine der umweltschädlichsten Industrien – die Folgen für Böden und Ökosysteme sind dramatisch“, sagt Wissenschaftler Jungkunst. Das dramatische sei, dass Gold fast gar keinen Nutzen für Menschen hat – nur gut aussieht. „Aber die Menschen waren schon immer davon fasziniert – wir sollten alle darauf verzichten.“
Doch zurück zu seinem Team und dessen Arbeiten im Amazonasgebiet: An insgesamt vier Stellen unterschiedlicher Nutzung – jeweils an 12 unterschiedlichen Farmen – haben die Forschenden große Löcher gegraben, die etwa einen Meter tief und zwei bis drei Meter breit waren. Es wurden Bodenproben entnommen. Zusätzlich und relativ unkompliziert haben die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler dort, auf ungestörten Bodenoberflächen, abgehende Gase in luftdichte Gefäße anreichern lassen – und in kleine Flaschen gefüllt. Im Labor in Landau wurden diese Gasproben dann analysiert. Hermann Jungkunst: „Die Gase im unberührten Wald waren wie erwartet. Bei den Gasen der jungen und waldnahen landwirtschaftlich genutzten Flächen – aber auch nach etwa 10-jähriger Nutzung – haben wir gesehen, dass die Stoff-Flüsse gestört sind.“ In den Untersuchungen ging es um die drei Haupttreibhausgase, die von den Forschenden als Indikator für ein intaktes Ökosystem genutzt wurden: CO2, N2O (Lachgas) und Methan.
Bestätigt haben die Forschenden beispielsweise, dass der Wald – vor allem im Boden – ein besserer Kohlenstoffspeicher ist als Ackerland. Erstaunlicherweise speichert Weideland ähnlich viel Kohlenstoff wie der Waldboden – aber die Methan-Aufnahme ist geringer. „Normalerweise entfernen Böden Methan aus der Atmosphäre und binden das Treibhausgas im Boden.“ Bei den untersuchten älteren Weideböden war diese Fähigkeit schon herabgesetzt. Und die Lachgas-Messungen lassen den Schluss zu, dass der Stickstoff-Kreislauf in den bewirtschafteten Flächen gestört ist.
Jungkunst zieht als Schlussfolgerung: „Die von uns untersuchten landwirtschaftlichen Flächen haben den Kipppunkt erreicht.“ Oder allgemeiner ausgedrückt: Die bewirtschafteten Flächen funktionieren nicht mehr so, wie sie eigentlich sollten. Sie können die von ihnen erwartenden Dienstleistungen nicht mehr wahrnehmen. Die Folge: Es kann nicht mehr so viel produziert werden.
Um das alles noch genauer zu verstehen, muss man sich zugleich dem Thema Biodiversität widmen. Es geht um Pilze, Regenwürmer und Mikroorganismen, die natürlicherweise im Boden leben: „Diese kleinen Lebewesen übernehmen die unterschiedlichsten Aufgaben in dem Ökosystem", erklärt Jungkunst. Einige stellen den Pflanzen beispielsweise Phosphor bereit. Andere bauen Nitrat ab oder binden Schwermetalle. Wiederum andere lockern den Boden, sodass dieser mehr Wasser speichern kann. Kurz gesagt also: Die Vielfalt an Lebewesen im Boden sorgt dafür, dass der Boden seine verschiedenen Dienstleistungen überhaupt erbringen kann. Und, so erklärt es Hermann Jungkunst, die von ihm und seinem Team durchgeführten Gasmessungen weisen darauf hin, dass die Zusammensetzung dieser Mikroorganismen in den bewirtschafteten Flächen verändert ist: „Einige der Kleinstlebewesen fehlen bereits.“ Denn wären, vereinfacht ausgedrückt, alle noch da, dann wären auch alle – via Gasmessung analysierten Stoffkreisläufe – noch intakt. Die PRODIGY-Untersuchungen haben dahingehend zusammenfassend gezeigt: Viele Organismen mit leicht unterschiedlichen funktionalen Eigenschaften können dazu beitragen, dass ein Kipppunkt ausbleibt.
Was wäre die Konsequenz aus den Untersuchungen? Eine landwirtschaftliche Nutzung des Bodens von Teilen des Amazonas ist nötig – keine Frage. Dem stimmt auch Hermann Jungkunst zu, und er ergänzt: „Der unberührte Regenwald und die landwirtschaftlich genutzten Flächen könnten in einem bestimmten Verhältnis zueinander aufgebaut sein.“ Man könne den Wald stückchenweise öffnen. In einer bestimmten Gitterstruktur etwa. Das sei mutmaßlich für die Biodiversität der landwirtschaftlich genutzten Flächen vorteilhafter – und ist zugleich Gegenstand von Folge-Untersuchungen.
Was wird außerdem aufbauend auf PRODIGY erforscht? Simone Kilian, Doktorandin im Team von Herrman Jungkunst, will Kipppunkte erkennen, lange bevor ihr Überschreiten offensichtlich ist. Sie will die damit einhergehenden Dynamiken noch besser verstehen, um frühzeitige Indikatoren auszumachen. Können die Forschenden in einem Boden beispielsweise weniger Lachgas messen, dann ist ein Kipppunkt nicht mehr fern. Entsprechende Computermodelle sollen solche Fakten abbilden und somit vorhersagen, unter welchen Bedingungen ein bestimmter Boden wann an seinen Kipppunkt gelangt. Aber – und genau daran schließt die Forschung von Simone Kilian an: „Es gibt eine ziemlich hohe Diskrepanz zwischen dem, was im Feld tatsächlich passiert und dem, was die bisherigen Modelle vorhersagen“, sagt sie.
Hermann Jungkunst wird an diesem Punkt noch deutlicher: „Wir waren überrascht, wie schlecht die bisherigen Modelle sind.“ Was ist das Problem? Die bisherigen Modelle berücksichtigen nicht im ausreichenden Maße, dass im Amazonasboden sogenannte Pseudo-Sande zu finden sind. Diese stabilen Aggregate aus Ton- und Schluffpartikeln verändern Wasseraufnahme und Nährstoffhaushalt des Bodens entscheidend. Hermann Jungkunst: „Wir müssen also erst einmal die Physik in den Griff bekommen, bevor wir die Biologie in den Griff bekommen.“ Simone Kilian will die Physik des Bodens, die Pseudo-Sande und ihre Auswirkungen richtig verstehen – umso die biogeochemischen Vorhersagemodelle wesentlich exakter zu machen. Denn Kipppunkte sollen möglichst früh erkannt – und am besten gar nicht erreicht werden.
*PRODIGY bedeutet „Production Diversity generates Yield“. Hermann Jungkunst: „Prodigy ist eine tolle Band der 1990er-Jahre. Der Begriff bedeutet Wunderkind. Was auf die funktionelle Biodiversität bezogen ist.“
Jungkunst HF, Goepel J, Horvath T, Ott S, Brunn M (2022) Global soil organic carbon–climate interactions: Why scales matter. WIREs Climate Change 12: e780. DOI: 10.1002/wcc.780
Kilian Salas, S., Meurer, K. H., Boy, D., Díaz García, E., Woche, S. K., Boy, J., … & Jungkunst, H. F. (2024). The “extra pinch” of pseudosand to enhance tropical biogeochemical processes understanding. Journal of Plant Nutrition and Soil Science, 187(2), 161-170. DOI: 10.1002/jpln.202400090
PRODIGY-Podcast "Digging for Diversity". Elf Episoden tauchen tiefer in die Forschung zu Biodiversität und sozialökologischen Kipppunkten im südwestlichen Amazonasgebiet ein und bieten Einblicke in interdisziplinäre Wissenschaft und Lehre.
