Ausgewogene Nährstoffbilanz mildert den Pflanzendurst

Stickstoff lässt Vegetation stärker wachsen, bei Phosphormangel steigt aber deren Wasserverbrauch

Pflanzen leben nicht von Wasser und Kohlendioxid allein. Wie effizient sie diese Nährstoffe für ihr Wachstum umsetzen, hängt wesentlich davon ab, wieviel und in welchem Verhältnis Stickstoff und Phosphor in ihrem Ökosystem verfügbar sind. In einer neuen Studie analysierte ein internationales Team um Forschende des Max-Planck-Instituts für Biogeochemie in Jena in einem halbtrockenen Savannen-Ökosystem in Spanien, wie Pflanzen und deren Umgebung auf die Zugabe dieser Nährstoffe reagieren. Dabei beobachteten sie, dass der alleinige Eintrag von Stickstoff die Pflanzen zwar besser wachsen lässt, aber auch zu einem stärkeren Wasserverbrauch führt. Werden hingegen gleichzeitig Stickstoff und Phosphor zugeführt, wächst die Vegetation stärker und nimmt mehr Kohlenstoff auf, benötigt aber nicht mehr Wasser.

Stickstoff und Phosphor sind die beiden wichtigsten Nährstoffe für das Pflanzenwachstum. Durch landwirtschaftliche Düngung, aber auch durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe geben wir erhebliche Mengen an Stickstoff an die Umwelt ab. Pflanzen und Ökosysteme erhalten daher einen zusätzlichen anthropogenen Stickstoffeintrag, allerdings keinen zusätzlichen Phosphor. Dieses Ungleichgewicht zwischen den beiden Nährstoffen sollte sich aber auf das Wachstum und die Produktivität von Pflanzen auswirken.

In einem groß angelegten Freilandexperiment untersuchten Forschende des Max-Planck-Instituts für Biogeochemie in Jena gemeinsam mit spanischen Partnerinstitutionen, wie ein natürliches Ökosystem auf unterschiedliche Stickstoff- und Phosphorverfügbarkeit reagiert. In der halbtrockenen Savanne in Majadas de Tietar im Zentrum der iberischen Halbinsel düngten sie zwei benachbarte Areale von etwa 20 Hektar in unterschiedlicher Weise. Die eine Parzelle erhielt nur Stickstoff, die andere Stickstoff und Phosphor in einem ausgewogenen Verhältnis. Ein drittes ungedüngtes Areal diente als Kontrolle. Alle drei Gebiete überwachten die Forschenden mit einer Vielzahl modernster Messverfahren kontinuierlich hinsichtlich der ökologischen und physiologischen Parameter der Vegetation, die aus kleinwüchsigen Pflanzen und Bäumen besteht, sowie der darunter liegenden Böden.

Erster Nachweis in einem natürlichen Ökosystem

Wenig überraschend wuchsen die Pflanzen auf dem mit Stickstoff gedüngten Areal im Vergleich zur Kontrollfläche stärker. Allerdings ging damit auch ein höherer Wasserverbrauch einher, der sich in einer höheren Verdunstungsrate und einer geringeren Bodenfeuchte wiederspiegelte. Im Gegensatz dazu war der Wasserverbrauch bei der ausgewogenen Zufuhr von Stickstoff und Phosphor nicht erhöht, obwohl die Vegetation auch hier ähnlich stark angekurbelt wurde wie durch die reine Stickstoffbehandlung war. „Wir folgern daraus, dass der ausgewogene Eintrag von Nährstoffen zu einer effizienteren Nutzung des Wassers führt", sagt Mirco Migliavacca, Gruppenleiter am Max-Planck-Institut für Biogeochemie und leitender Autor der Studie.

Ähnliche Ergebnisse erzielten andere Forschergruppen bereits früher, aber nur in kleineren Maßstäben, indem sie die Blätter von einzelnen Pflanzen, ganze Pflanzen oder Pflanzengemeinschaften in künstlichen Mesokosmos-Experimenten analysierten. „Aber dies ist das erste Mal, dass ein erhöhter Wasserverlust aufgrund eines Nährstoffungleichgewichts in einem kompletten natürlichen Ökosystem nachgewiesen werden konnte, also in der realen Welt", sagt Tarek El-Madany, der als Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Biogeochemie maßgeblich an der Studie beteiligt war.

Zwei Erklärungen für den unterschiedlichen Wasserverbrauch

Den zusätzlichen Wasserverlust bei einem unausgewogenen Nährstoffverhältnis erklären die Forschenden durch zwei bekannte Mechanismen: Erstens wirken sich Stickstoff und Phosphor unterschiedlich auf die Öffnung der Spaltöffnungen aus. Diese winzigen Poren der Pflanzen ermöglichen die Aufnahme von Kohlendioxid aus der Atmosphäre, führen aber gleichzeitig zu Wasserverlusten durch Transpiration . Zweitens ist bekannt, dass Pflanzen versuchen, einen Mangel an Phosphor und anderen Nährstoffen auszugleichen, indem sie diese aus dem Boden, durch Ausscheidungen der Wurzeln, herauslösen. Letzteres wird durch den experimentellen Befund belegt, dass die Biomasse der Wurzeln erhöht und ihr struktureller Aufbau durch die alleinige Stickstoffzufuhr verändert wurde.

Ausgewogene Nährstoffversorgung wird mit dem Klimawandel vielerorts wichtiger

Die Erkenntnisse zum veränderten Wasserhaushalt gelten jedoch nur für die kleinwüchsigen Pfalnzen am Versuchsstandort. Die Bäume in den Gebieten änderten ihre Kohlenstoffaufnahme und Wassernutzung im Zeitraum von fünf Jahren dagegen trotz der unterschiedlichen Düngung nicht. Dies kann dadurch erklärt werden, dass die kleinwüchsigen Pflanzen mit ihrem flachen Wurzelsystem schnell auf die Düngung in der obersten Bodenschicht reagieren, während sich die Nährstoffzufuhr bei den tiefer wurzelnden Bäumen nicht merklich änderte.  

Die Studie zeigt, wie wichtig es ist, den Nährstoffhaushalt auf der Ebene natürlicher Ökosysteme zu untersuchen. Ihre Schlüsselergebnisse unterstreichen die Bedeutung der Nährstoffe für Regionen, in denen der Klimawandel zu verstärkter Verdunstung durch erhöhte Temperaturen und gleichzeitig zu Wassermangel führt. „Bei Wasserknappheit, zum Beispiel in semiariden Gebieten, kann die Begrenzung von Phosphor im Vergleich zu Stickstoff die Wasserverluste des Ökosystems verschärfen, weil die Pflanzen das Wasser weniger effizient nutzen können", sagt Mirco Migliavacca.