Globaler Wandel gefährdet Bodenkrusten in Trockengebieten

Modellrechnungen zeigen einen Rückgang biologischer Bodenkrusten um 25 bis 40 Prozent bei anhaltender Klimaerwärmung und steigender Landnutzung

Mainz, 26.2.2018

Biologische Bodenkrusten bilden einen grundlegenden Bestandteil der Vegetation in der Halbwüste der Sukkulentenkaroo Südafrikas (a). Diese Bodenkrusten sind allerdings durch Klima- und Landnutzungsänderungen bedroht. In Abbildung (b) sind durch Flechten (rosa) und Cyanobakterien (braun) dominierte Bodenkrusten zu sehen. Quelle: Bettina Weber
Biologische Bodenkrusten bilden einen grundlegenden Bestandteil der Vegetation in der Halbwüste der Sukkulentenkaroo Südafrikas (a). Diese Bodenkrusten sind allerdings durch Klima- und Landnutzungsänderungen bedroht. In Abbildung (b) sind durch Flechten (rosa) und Cyanobakterien (braun) dominierte Bodenkrusten zu sehen. Quelle: Bettina Weber

Biologische Bodenkrusten schützen den Boden, beschleunigen die Bodenbildungsraten und tragen zu biogeochemischen Nährstoffzyklen bei, indem sie atmosphärischen Kohlenstoff (C) und Stickstoff (N) binden.  Zwar zählen sie optisch zu den unscheinbarsten Lebensgemeinschaften in der Natur, sind jedoch wichtig für die natürlichen Kreislaufprozesse. Gemeinsam mit internationalen Kollegen haben Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Chemie nun erstmals eine Weltkarte über das Vorkommen biologischer Bodenkrusten erstellt. Mithilfe dieser Karte und Vorhersagen über die Auswirkungen des globalen Wandels errechneten sie, dass bis zum Jahr 2070 vorraussichtlich 25 bis 40 Prozent des weltweiten Bodenkrustenvorkommens verschwunden sein werden. Das Wissenschaftsjournal „Nature Geosciences“ berichtet in seiner März-Ausgabe über die Studie.

„Biologische Bodenkrusten bestehen aus Gemeinschaften von Cyanobakterien, Algen, Flechten und Moosen. Die Schichten sind wenige Millimeter dick und bilden in Trockengebieten Verkrustungen auf dem Erdboden, die den Boden vor Erosion schützen“, erläutert Bettina Weber, Forschungsgruppenleiterin am MPI für Chemie in Mainz. Sie beschäftigt sich seit vielen Jahren mit diesen besonderen Lebensgemeinschaften. Gemeinsam mit ihren Kollegen wertete die Biologin über 500 Publikationen zum Thema Bodenkrusten aus und erstellte daraus die erste weltweite Verbreitungskarte. Die Forscher fanden heraus, dass biologische Bodenkrusten derzeit etwa zwölf Prozent der Erdoberfläche bedecken.

Durch Flechten (rosa) und Cyanobakterien (braun) dominierte Bodenkrusten. Foto: Bettina Weber
Durch Flechten (rosa) und Cyanobakterien (braun) dominierte Bodenkrusten. Foto: Bettina Weber

Bodenkrusten kommen besonders in Wüsten- und Savannengebieten wie im Süden Afrikas, in Australien, Asien, aber auch im Südwesten der USA. In gemäßigten Breiten wie Mitteleuropa dominieren Gefäßpflanzen wie Bäume und Sträucher. „Das Vorkommen von Bodenkrusten wird gegenwärtig vornehmlich durch das Zusammenwirken von Niederschlag, Temperatur und landwirtschaftlicher Bodennutzung bestimmt“, erklärt Emilio Rodriguez-Caballero, ehemaliger Postdoktorand in der Arbeitsgruppe von Bettina Weber, der nun an der Universität von Almeria forscht. Der Spanier nutzte für die Bodenkrustenlandkarte 18 unterschiedliche Umweltparameter, die die Eignung einer Landfläche für das Wachstum von Bodenkrusten beeinflussen. Zu den Parametern zählen klimatische Faktoren wie Temperatur und Niederschlag, Bodeneigenschaften wie der Mineralgehalt, die landwirtschaftliche Nutzung und schließlich die Topografie der Landschaft.

Die Forscher beließen es aber nicht bei einer gegenwärtigen, globalen Landkarte der Bodenkrusten. Anhand verschiedener Zukunftsszenarien berechneten sie, wie sich die Verbreitung der Bodenkrusten in Folge des globalen Wandels voraussichtlich verändern wird.

Diese sogenannten Emissionsszenarien stammen vom Weltklimarat IPCC und geben an, wie sich die Erde in Bezug auf Klima und Landnutzung gegenüber der vorindustriellen Zeit ändern wird. Sie reichen von der Annahme, dass die Erwärmung durch eine massive Reduktion der Emissionen unter zwei Grad Celsius bleibt, bis hin zu einem extremen Szenario, wonach die Treibhausgase und Landnutzung weiter ansteigen wie bisher. Daher wird letztere Annahme auch als Business-as-usual-Szenario bezeichnet. Hiernach würde sich die Erdoberfläche durchschnittlich über vier Grad Celsius gegenüber der vorindustriellen Zeit erwärmen.

Die Grafik zeigt die Veränderung des globalen Vorkommens von biologischen Bodenkrusten unter künftigen Klima- und Landnutzungsbedingungen nach dem „mildesten“ Szenario „RCP 2.6“ des Weltklimarats. Grüne Werte zeigen eine Zunahme, rote Farben eine Abnahme des Bodenkrustenvorkommens [in Prozent]. Blau schraffierte Flächen zeigen Bereiche mit einem Bodenkrustenvorkommen größer als 50 Prozent unter den aktuellen Bedingungen. Grafik: Emilio Rodriguez-Caballero / DOI: 10.1038/s41561-018-0072-1
Die Grafik zeigt die Veränderung des globalen Vorkommens von biologischen Bodenkrusten unter künftigen Klima- und Landnutzungsbedingungen nach dem „mildesten“ Szenario „RCP 2.6“ des Weltklimarats. Grüne Werte zeigen eine Zunahme, rote Farben eine Abnahme des Bodenkrustenvorkommens [in Prozent]. Blau schraffierte Flächen zeigen Bereiche mit einem Bodenkrustenvorkommen größer als 50 Prozent unter den aktuellen Bedingungen. Grafik: Emilio Rodriguez-Caballero / DOI: 10.1038/s41561-018-0072-1

Globaler Wandel: voraussichtlich wird mehr als ein Viertel der Bodenkrustenflächen verschwinden

Egal auf welches Szenario die Erde zusteuert, der prognostizierte Rückgang der biologischen Bodenkrusten liegt zwischen 25 und 40 Prozent. Das heißt, dass selbst im Fall eines mäßigen globalen Wandels der Boden-Bewuchs in Trockengebieten voraussichtlich um ein Viertel der Bodenkrusten zurückgehen wird. Diesen Rückgang lösen dabei nicht nur steigende Temperaturen und veränderte Niederschlagsbedingungen aus, sondern auch die Landwirtschaft. So erwartet das Team um Bettina Weber, dass aufgrund des Klimawandels und der steigenden Weltbevölkerung in vielen semi-ariden Regionen, wie in Asien und im südlichen Afrika, der Landnutzungsdruck in den kommenden Jahrzehnten zunehmen wird.

Der klima- und landnutzungsbedingte Rückgang der Bodenkrusten könnte zudem einen deutlichen Einfluss auf biogeochemische Kreislaufprozesse wie den Stickstoff- und Kohlenstoffkreislauf haben. In vorhergehenden Studien errechneten unter anderem Bettina Weber und ihre Kollegen, dass die winzigen Lebensgemeinschaften für rund die Hälfte der biologischen Stickstofffixierung an der Erdoberfläche verantwortlich sein könnten. Für die Entwicklung von Ökosystemen ist dies von Bedeutung, da Stickstoff oftmals die limitierende Nährstoffkomponente ist (Quelle: Nature Geoscience, 3. Juni 2012; DOI: 10.1038/NGEO1486 und PNAS, DOI: 10.1073/pnas.1515818112) und gerade in nährstoffarmen Ökosystemen die Fruchtbarkeit des Bodens fördert.

Zudem hätte der großflächige Rückgang der Bodenkrusten vermutlich auch Auswirkungen auf unsere Gesundheit. „Da Bodenkrusten eine wichtige Rolle bei der Bodenstabilisierung spielen, ist in Folge des weit verbreiteten Rückgangs eine deutliche Zunahme der Belastung durch Luftstaub und Staubstürme zu erwarten - mit erheblichen gesundheitlichen und ökologischen Folgen“, skizziert Ulrich Pöschl, Direktor am Max-Planck-Institut für Chemie. Aus Sicht der Forscher ist es deshalb wichtig, das weltweite Vorkommen der biologischen Bodenkrusten bei der Erstellung von Klima- und Erdsystemmodellen zu berücksichtigen.(AR)