Seit Mitte des 20. Jahrhunderts warnen Wissenschaftler vor den negativen Auswirkungen von überschüssigem Stickstoff auf natürliche Ökosysteme.
Aber eine neue Studie legt nahe, dass einige Teile der Welt einen dramatischen Rückgang der Verfügbarkeit von Stickstoff erleben.
Im Laufe des letzten Jahrhunderts haben Industrie und Landwirtschaft die globale Gesamtversorgung mit reaktivem Stickstoff mehr als verdoppelt.
Dieser Stickstoff kann sich in Bächen, Binnenseen und Küstengewässern anreichern, was zu einer Ansammlung von Nährstoffen, sauerstoffarmen Totzonen und schädlichen Algenblüten führt.
Der gleichzeitige Anstieg von Kohlendioxid hat jedoch zusammen mit anderen globalen Veränderungen zu einem erhöhten Stickstoffbedarf von Pflanzen und Mikroben geführt.
In vielen Gebieten der Welt, die keinen übermäßigen Stickstoffeinträgen durch den Menschen ausgesetzt sind, nimmt die Verfügbarkeit von Stickstoff sogar ab, mit schwerwiegenden Folgen für das Pflanzen- und Tierwachstum.
“Es gibt gleichzeitig zu viel Stickstoff und zu wenig Stickstoff auf der Erde”, sagte Rachel Mason, Hauptautorin der Studie und ehemalige Postdoktorandin am National Socio-environmental Synthesis Center.
Stickstoff macht 79 Prozent der Erdatmosphäre aus und ist ein wesentliches Element in Proteinen. Daher ist seine Verfügbarkeit entscheidend für das Wachstum von Pflanzen und den Tieren, die sie fressen
Isotopenaufzeichnungen von Blättern, Baumringen und Seesedimenten deuten darauf hin, dass die Stickstoffverfügbarkeit in vielen terrestrischen Ökosystemen seit Beginn des Industriezeitalters stetig abgenommen hat
Stickstoff macht 79 Prozent der Erdatmosphäre aus und ist ein wesentliches Element in Proteinen.
Daher ist seine Verfügbarkeit entscheidend für das Wachstum von Pflanzen und den Tieren, die sie fressen.
Gärten, Wälder und Fischereien sind fast alle produktiver, wenn sie mit moderaten Mengen Stickstoff gedüngt werden.
Wenn Pflanzenstickstoff weniger verfügbar ist, wachsen Pflanzen langsamer und ihre Blätter sind weniger nahrhaft für Insekten, was möglicherweise das Wachstum und die Fortpflanzung verringert – nicht nur von Insekten, sondern auch von Vögeln und Fledermäusen, die sich von ihnen ernähren.
“Wenn Stickstoff weniger verfügbar ist, hält jedes Lebewesen länger an dem Element fest, wodurch der Stickstofffluss von einem Organismus zum anderen durch die Nahrungskette verlangsamt wird”, erklärte Andrew Elmore, leitender Autor des Papiers und Professor für Landschaftsökologie an der das Zentrum für Umweltwissenschaften der Universität von Maryland.
“Deshalb können wir sagen, dass sich der Stickstoffkreislauf verlangsamt.”
Gärten, Wälder und Fischereien sind fast alle produktiver, wenn sie mit moderaten Mengen Stickstoff gedüngt werden
Auswirkungen von Stickstoffrückgängen auf Pflanzenfresser: Eine Verringerung der Futterqualität (A und D) kann zu einer verringerten Körpergröße und/oder Entwicklungsrate (B und E) und Reproduktion (C und F) der Pflanzenfresser führen, da die Wachstumsraten und Populationen der Pflanzenfresser oft begrenzt sind nach Proteinverfügbarkeit
Die Forscher überprüften langfristige, globale und regionale Studien und fanden Hinweise auf eine abnehmende Verfügbarkeit von Stickstoff.
Grasland in Zentral-Nordamerika beispielsweise leidet seit hundert Jahren unter einer abnehmenden Stickstoffverfügbarkeit, und Rinder, die auf diesen Gebieten weiden, haben im Laufe der Zeit weniger Protein in ihrer Ernährung aufgenommen.
In der Zwischenzeit leiden viele Wälder in Nordamerika und Europa seit mehreren Jahrzehnten oder länger unter Ernährungsrückgängen.
Diese Rückgänge werden wahrscheinlich durch mehrere Umweltveränderungen verursacht, von denen einer ein erhöhter Kohlendioxidgehalt in der Atmosphäre ist.
Das atmosphärische Kohlendioxid hat den höchsten Stand seit Millionen von Jahren erreicht, und Landpflanzen sind etwa 50 Prozent mehr dieser essentiellen Ressource ausgesetzt als noch vor 150 Jahren.
Erhöhtes atmosphärisches Kohlendioxid düngt Pflanzen, was ein schnelleres Wachstum ermöglicht, aber dabei den Pflanzenstickstoff verdünnt, was zu einer Kaskade von Effekten führt, die die Verfügbarkeit von Stickstoff verringern.
Zusätzlich zum Anstieg des atmosphärischen Kohlendioxids können auch Erwärmung und Störungen, einschließlich Waldbrände, die Verfügbarkeit im Laufe der Zeit verringern.
Die sinkende Verfügbarkeit von Stickstoff schränkt wahrscheinlich auch die Fähigkeit von Pflanzen ein, Kohlendioxid aus der Atmosphäre zu entfernen.
Derzeit speichert pflanzliche Biomasse fast so viel Kohlenstoff, wie in der Atmosphäre enthalten ist, und die Kohlenstoffspeicherung von Biomasse nimmt jedes Jahr zu, wenn der Kohlendioxidgehalt steigt.
Die abnehmende Stickstoffverfügbarkeit gefährdet jedoch die jährliche Zunahme der pflanzlichen Kohlenstoffspeicherung, indem sie dem Pflanzenwachstum Grenzen auferlegt.
Überschüssiger Stickstoff kann sich in Bächen, Binnenseen und Küstengewässern anreichern, was zu einer Ansammlung von Nährstoffen (Eutrophierung), sauerstoffarmen Totzonen und schädlichen Algenblüten führt
Die sinkende Verfügbarkeit von Stickstoff schränkt wahrscheinlich auch die Fähigkeit von Pflanzen ein, Kohlendioxid aus der Atmosphäre zu entfernen
Daher müssen Klimawandelmodelle, die derzeit versuchen, den in Biomasse gespeicherten Kohlenstoff abzuschätzen, einschließlich zeitlicher Trends, die Verfügbarkeit von Stickstoff berücksichtigen.
„Die deutlichen Anzeichen einer abnehmenden Stickstoffverfügbarkeit an vielen Orten und in verschiedenen Zusammenhängen sind ein weiterer wichtiger Grund dafür, unsere Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen schnell zu verringern“, sagte Elmore.
“Zusätzliche Managementreaktionen, die die Stickstoffverfügbarkeit über große Regionen erhöhen könnten, werden wahrscheinlich umstritten sein, sind aber eindeutig ein wichtiger Bereich, der untersucht werden muss.”
Die Studie wurde in der Fachzeitschrift Science veröffentlicht.