In vielen Ökosystemen geht der Gehalt an verwertbarem Stickstoff seit Jahrzehnten zurück. Der Rückgang des für Mikroorganismen und Pflanzen nutzbaren Stickstoffs könne mit dem erhöhten Anteil an Kohlendioxid (CO2) in der Luft in Verbindung stehen. Auch eine Temperaturerhöhung und veränderte Regenzeiten könnten eine Rolle spielen. Das Team um Andrew Elmore vom National Socio-Environmental Synthesis Center in Annapolis (USA) hat seine Studie in "Science" veröffentlicht.

Die Forscher werteten 100 wissenschaftliche Untersuchungen zu verschiedenen naturbelassenen Ökosystemen aus. Ob der gebundene Stickstoff im Boden, im Wasser von Bächen und Flüssen oder in Pflanzenteilen gemessen wurde: Überall in diesen Ökosystemen ist ein rückläufiger Trend zu erkennen.

Wenn Pflanzen weniger Stickstoff erhalten, wachsen sie langsamer und die Blätter sind weniger nahrhaft. Das führt zu einem geringeren Wachstum bei manchen Insekten und ihren Fressfeinden und zum Teil auch zu weniger Nachkommen. Der Stickstoff der Pflanzen beeinflusst die gesamte Nahrungskette.

Stickstoff ist auch ein zentraler Bestandteil von Düngemitteln. Deshalb gibt es im Zusammenhang mit intensiver Landwirtschaft auch viele Gegenden mit einem Überangebot an Stickstoffverbindungen, was in Gewässern zu Algenblüten und zum Rückgang des im Wasser gelösten Sauerstoffs führt.

Ungleiche Verteilung

"Es gibt gleichzeitig zu viel Stickstoff und zu wenig Stickstoff auf der Erde", sagt Rachel Mason vom National Socio-Environmental Synthesis Center, Hauptautorin der Studie. Denn die Verfügbarkeit von stickstoffhaltigen Verbindungen für Pflanzen und Tiere ist je nach Gebiet sehr ungleich verteilt.

Der rückläufige Trend des verfügbaren Stickstoffs in Ökosystemen setzte je nach Untersuchungsreihe zu etwas verschiedenen Zeiten ein: Bei der Analyse von verschiedenen sogenannten Isotopen chemischer Elemente in Jahresringen fanden amerikanische Forscher den Beginn des Trends um das Jahr 1930. Messungen in Seesedimenten und Blätterproben ergaben, dass die Stickstoff-Verringerung bereits im frühen 20. Jahrhundert begonnen hat.

Je höher der CO2-Gehalt der Atmosphäre ist, desto geringer ist der Stickstoffgehalt in Pflanzen. Diesen Zusammenhang zeigen ganz unterschiedliche Untersuchungen, auch wenn der genaue Mechanismus nicht bekannt ist. Der erhöhte CO2-Gehalt der Luft könnte zu einem verstärkten Pflanzenwachstum führen. Eine Folge davon könnte ein erhöhter Bedarf an Stickstoff sein, der dann in natürlichen Kreisläufen fehle, schreiben die Forscher. Es gebe aber noch kein umfassendes Modell zum Erkennen von großräumigen Trends der Verfügbarkeit von Stickstoff für Pflanzen und Mikroorganismen.

Zusammenhang in Modellen nicht abgebildet

Die Forscher bemängeln, dass der Zusammenhang zwischen dem Kohlenstoff- und dem Stickstoffkreislauf von etwa der Hälfte der wissenschaftlichen Erdsystem-Modellen nicht abgebildet werde. Wenn er berücksichtigt würde, zeigten Modellrechnungen bei Landökosystemen einen Rückgang der CO2-Aufnahmefähigkeit in der jüngeren Vergangenheit.

Da das Wachstum und die Reproduktion von Pflanzenfressern mit der Proteinaufnahme einhergehe, könne eine abnehmende Stickstoffkonzentration in Blättern zu einem weitverbreiteten Rückgang der Insektenpopulationen beitragen und das Wachstum von Weidevieh und pflanzenfressenden Wildsäugetieren negativ beeinflussen, schreiben Elmore und Kollegen. Sie fordern einen jährlichen Bericht, der für Wissenschafter, Umweltmanager und politische Entscheidungsträger den Zustand des Stickstoffzyklus anhand von aktuellen Messungen und Analysen darstellt.

Fachartikelnummer DOI: 10.1126/science.abh3767