Wetterextreme im Regenwald mindern wichtige Rückkopplung zwischen Boden und Luft

Extreme Dürren und Hitze verringern die Isoprene-Aufnahmefähigkeit des Bodens im Amazonas-Regenwald um den Faktor vier. Gleichzeitig führen sie zu höheren Konzentrationen des Stoffs über den Bäumen.

• Extreme Wetterereignisse verändern die Isopren-Aufnahmekapazität des Bodens: Während der El-Niño-Dürre im Jahr 2023 führte eine Bodenfeuchte von unter 20 % zu einer starken Einschränkung der Bodenatmung und der Isoprenaufnahme des Bodens, wobei die Isoprenkonzentrationen in der Atmosphäre über dem Wald anstiegen.
• Auswirkungen auf atmosphärische Prozesse: Da der Klimawandel Dürren und Hitzeextreme verschärft, könnte eine verringerte Isoprenaufnahmekapazität des Bodens Auswirkungen auf die Oxidation in der Atmosphäre, die Aerosolbildung und die Lebensdauer von Methan haben.
• Verbesserte Klimaprognosen: Die Berücksichtigung der Isoprenaufnahme durch den Boden in Modellen würde die Prognosen zu zukünftigen Klimarückkopplungen verbessern.

Isopren ist eine flüchtige organische Verbindung (VOC), die auf natürliche Weise von Pflanzen gebildet wird. Jährlich werden über 500 Megatonnen Isopren in die Erdatmosphäre freigesetzt, vor allem aus tropischen Wäldern. Böden gelten als Senken für atmosphärisches Isopren, doch ihr Verhalten vor Ort ist nach wie vor kaum erforscht, insbesondere im Amazonasgebiet, wo die Emissionen von globaler Bedeutung sind.

Eine neue Studie von Forschern des Max-Planck-Instituts für Chemie in Mainz beschreibt nun, wie ein Rückkopplungsmechanismus zwischen Boden und Atmosphäre unter extremen Dürre- und Hitzebedingungen im Amazonasgebiet entscheidend beeinträchtigt wird. Das Team maß über mehrere Jahreszeiten hinweg die Isoprenflüsse in die Böden des Regenwaldes, darunter auch während der rekordverdächtigen Dürre in der Trockenzeit 2023. Sie zeigen, dass Böden unter normalen Bedingungen Isopren in hohem Maße aufnehmen, unter Trockenstress jedoch deutlich weniger – wie beispielsweise während des starken El-Niño-Ereignisses im Jahr 2023, das zu rekordtiefen Flusspegeln und weitverbreitetem Vegetationsstress führte. Die Ergebnisse waren eindrucksvoll: Die Isopren-Aufnahmekapazität sank im Vergleich zu normalen Bedingungen um mehr als das Vierfache.

Dürre verlangsamt die Isoprenaufnahme im Boden

„Unsere Ergebnisse zeigen, dass die Isoprenaufnahme im Boden unter den extremen klimatischen Bedingungen des El Niño von 2023 plötzlich nicht mehr auf die erhöhten Isoprenkonzentrationen in der Umgebungsluft reagierte, wie sie es normalerweise tun“, erklärte Giovanni Pugliese, Erstautor der Studie und Forscher am Max-Planck-Institut für Chemie. „Diese Beobachtungen stehen im Einklang mit einer physiologischen Einschränkung der Isopren abbauenden Bodenmikroorganismen, wenn die Bodenfeuchte unter 20 Prozent fällt.“ Die Studie wurde kürzlich in der Fachzeitschrift Nature Communications Earth & Environment veröffentlicht.

Isopren wird durch chemische Oxidation in der Atmosphäre entfernt. Das primäre atmosphärische Oxidationsmittel ist das Hydroxylradikal (OH). In geringerem Maße ist auch Ozon (O₃) beteiligt. Daher sind Isoprenkonzentrationen entscheidend für das Gleichgewicht zwischen reaktiven biogenen Emissionen und atmosphärischen Oxidationsmitteln. Dieses Gleichgewicht beeinflusst die Lebensdauer von Treibhausgasen wie Methan und verändert, wie schnell sich sekundärer organischer Aerosole bilden, die wiederum unter anderem als Kondensationskeim für Wolken dienen. Folglich spiegelt die Isoprenkonzentration in der Luft das Zusammenspiel der pflanzlichen Emissionen, dem atmosphärischem Abbau und der Bodenaufnahme wider.

Isopren: Ein entscheidendes Gas für das Klima

Projektleiter Jonathan Williams fügte hinzu: „Überraschend war zu beobachten, dass das Amazonas-Ökosystem auf kurzfristige Dürre- und Hitzeextreme mit erhöhten Insoprenkonzentrationen in der Atmosphäre durch vermehrte Emissionen aus den Baumkronen reagiert und gleichzeitig der Boden als Isopren-Senke geschwächt wird.“ Diese Ergebnisse stehen im Einklang mit der allgemeinen Wissenschaftsannahme, dass Isoprenemissionen als Abwehrmechanismus der Pflanzen gegen thermischen Stress und oxidative Schäden dienen.

Die Ergebnisse stimmen zudem mit früheren Messungen überein, die in einem künstlichen Regenwald durchgeführt wurden und bei denen die Auswirkungen von Trockenheit und Wiederbefeuchtung auf die Flüsse biogener flüchtiger organischer Verbindungen im Boden untersucht wurden (siehe: https://www.mpic.de/5413238/drought-stress-alters-rainforest-soil). Damals stellten die Forscher fest, dass bei einem Rückgang der Bodenfeuchte unter 19 Prozent die Fähigkeit des Regenwaldbodens, VOCs aus der Atmosphäre aufzunehmen, nicht nur abnimmt, sondern der Boden sogar selbst zu einer Quelle von VOCs wird.

Nutzung von Bodendaten zur Verbesserung von Klimamodellen

Erhöhte Isoprenkonzentrationen schwächen jedoch auch die Oxidationskapazität der Atmosphäre ab und verlängern während der Dürreperiode die Verweildauer von Methan. Es bleibt abzuwarten, ob die erwarteten häufigeren und intensiveren El-Niño-Dürren diesen Trend fortsetzen werden oder ob sich die Bodenmikroorganismen an die zunehmend häufiger auftretenden, heißeren und trockeneren Bedingungen anpassen werden.

Basierend auf der Auswertung ihrer Messdaten schlagen die Forschenden vor, dass die Isoprenaufnahme durch den Boden in globalen Klimamodellen zu berücksichtigen. Dies könnte ein entscheidender Schritt sein, um klimabedingte atmosphärische Rückkopplungen in den Tropen besser quantifizieren zu können.

Hintergrundinfos zu ATTO

Die Messungen wurden in der Forschungsanlage „Amazon Tall Tower Observatory“ (ATTO) durchgeführt. ATTO ist ein deutsch-brasilianisches Gemeinschaftsprojekt, das 2009 ins Leben gerufen wurde. Es wird von den Max-Planck-Instituten für Biogeochemie in Jena und für Chemie in Mainz sowie vom brasilianischen INPA und der Universität des Amazonas (UEA) in Manaus geleitet. Das Projekt wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF), dem Ministério da Ciência, Tecnologia e Inovações (MCTI), der Max-Planck-Gesellschaft sowie brasilianischen Organisationen wie der FAPEAM finanziert; einzelne Forscher bringen zudem Fördermittel anderer wissenschaftlicher Förderorganisationen ein.