Rinder grasen auf einer Weide. Umkehrer / iStock
Stickstoff – das siebte Element im Periodensystem – ist ein wesentlicher Bestandteil vieler grundlegender biologischer Prozesse. Deshalb ist es eine große Neuigkeit, dass Stickstoff in Ökosystemen auf der ganzen Welt immer weniger verfügbar ist.
In einer einzigartigen Analyse analysierte eine Gruppe von Forschern mit einem breiten Spektrum an Fachgebieten Daten aus mehr als einem Jahrhundert, um zu dem erstaunlichen Ergebnis zu gelangen. Ihre Ergebnisse wurden am Donnerstag in der peer-reviewed Zeitschrift veröffentlichtWissenschaft.
„Es gibt einen ziemlich großen Rückgang der Stickstoffverfügbarkeit, der … irgendwann im frühen 20. Jahrhundert begonnen zu haben scheint und sich fortzusetzen scheint“, Umweltforscher Rachel Mason, ein Co-Autor des neuen Papiers, erzählt IE.
Viele Faktoren — von Waldbrände und der Klimawandel für die industrialisierte Landwirtschaft – treiben den Wandel voran. Laut Mason unterstreichen die Ergebnisse die Komplexität des Stickstoffkreislaufs und des gesamten Erdsystems.
„Das System der Erde ist kompliziert und wir stoßen auf so viele verschiedene Arten daran“, sagt sie.
Mehrere Mechanismen treiben den Wandel voran
Die meisten Umweltbedenken in Bezug auf Stickstoff haben sich auf ein Übermaß an Stickstoff konzentriert, nicht auf einen Mangel. „Bevor ich mich an dieser Arbeit beteiligt habe, hätte ich nur gedacht, ja, Stickstoff ist ein Problem, weil es zu viel davon gibt.“, sagt Mason, „das stimmt absolut, wenn man über landwirtschaftliche Gebiete und die Seen und Ozeane stromabwärts von [ihnen] spricht.“ Im Golf von Mexiko zum Beispiel verursacht überschüssiger Dünger Algenblüten, die zu „toten Zonen“ führensehr begrenzte Biodiversität.
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Aber an Land gibt es eine ganz andere Reihe von Problemen, die zugänglichen Stickstoff viel schneller entziehen, als er ersetzt werden kann.
Ein Beispiel ist die intensive Beweidung von Nutztieren. „Wir exportieren Rinder voller Eiweiß aus Grasland“, sagt Mason. So wie landwirtschaftliche Regionen in Kalifornien eine unglaubliche Menge Wasser in Form von Produkten exportieren, exportieren Staaten mit einer bedeutenden Rindfleischindustrie am Ende viel Stickstoff aus ihren Böden als Fleisch. „In aProteinmolekül ist jedes sechste Atom Stickstoff“, sagt Mason.
Waldbrände sind ein weiterer Treiber. „Während Bränden, die in manchen Gebieten immer häufiger und intensiver zu werden scheinen, kann viel Stickstoff verloren gehen“, sagt Mason. Der Klimawandel wirkt sich auch darauf aus, wie viel Stickstoff wieder in den Wald gelangtBoden durch natürliche Prozesse. „Änderungen der Temperatur und der Länge der Vegetationsperiode, des lokalen Mikroklimas und der Frost-Tau-Wechsel [haben] Auswirkungen auf mikrobielle und pflanzliche Prozesse [die Stickstoff binden]“, sagt sie.
Höhere Kohlenstoffkonzentrationen in der Atmosphäre können ebenfalls eine Rolle spielen. Das zusätzliche CO2 „kann dazu führen, dass Stickstoff in organischen Stoffen eingeschlossen wird, so dass er für [andere] Pflanzen nicht verfügbar ist“, sagt Mason.
Der Stickstoffmangel wird zu einem ernsthaften Problem
Stickstoff — zusammen mit Sauerstoff, Kohlenstoff, Wasserstoff, Phosphor und Schwefel — ist lebensnotwendig. Zum Beispiel ist es ein unverzichtbarer Bestandteil der Photosynthese. „Du brauchst Stickstoff, um Chlorophyll zu produzieren“, sagt Mason. Es ist auch ein grundlegender Baustein von Proteinen.
„Ein Rückgang der Stickstoffverfügbarkeit führt im Wesentlichen zur Verfügbarkeit von Pflanzenproteinen für Insektenfresser und grasende Säugetiere. [Es] kann durchaus Auswirkungen auf das Wachstum und die Fortpflanzung dieser Kreaturen haben“, sagt Mason.
Es ist schwierig nachzuvollziehen, wie sich der Rückgang des verfügbaren Stickstoffs auf die Produktivität der Nutztiere ausgewirkt hat, da die Viehzüchter ständig die Genetik der Nutztiere ändern, um mehr zu produzieren, „aber irgendwann … stellen Sie möglicherweise fest, dass sie einfach nicht so [bekommen].viel Nahrung von ihrem Vieh wie früher", sagt Mason.
Sinkende Stickstoffwerte sind für Viehzüchter sicherlich teuer. Einer Schätzung zufolge haben Viehzüchter Milliarden von Dollar in zusätzliches Futter investiert, um den Proteinverlust auszugleichen. Es gibt auch Grund zu der Annahme, dass Insekten unter der Veränderung dieser Ökosysteme leiden.
„Es macht absolut Sinn, dass die sinkende Stickstoffverfügbarkeit eine der treibenden Kräfte hinter der sogenannten Insekten-Apokalypse sein könnte. Insekten sind so wichtig für Ökosysteme, dass wir nicht wollen, dass alle Insekten verschwinden“, sagt sie.
Den Stickstoffkreislauf zu verstehen ist kompliziert
Mason sagt, es sei schwierig zu sagen, was diese sinkenden Stickstoffwerte für die Zukunft bedeuten.
„Diese Effekte vorherzusagen, wird wirklich kompliziert, weil alles mit allem interagiert“, sagt sie. Wichtig ist, sich daran zu erinnern, dass es nicht darum geht, ob zu viel Stickstoff oder zu wenig Stickstoff vorhanden ist.
„Wir üben auf so viele verschiedene Arten Druck auf die Erdsysteme aus, dass wir am Ende mit einer wirklich komplizierten und manchmal kontraintuitiven Reihe von Problemen enden werden, [die] an einem Ort völlig anders aussehen können [wenn] im Vergleich zu einem anderen," Sie sagt.
„Wir möchten, dass dies die Erkenntnis fördert, dass das Erdsystem kompliziert ist“, sagt sie.