Stickstoff- und Kohlenstoffkreislauf

Zusammenhänge und Feedbacks

Nicole Lang

• Verlag: Books on Demand
• Jahr: 2015
• ISBN drucken: 9783734746239
• eBook-ISBN: 9783738670349
• Auflage: 1
• Thema: Biowissenschaften
• Thema: Wissenschaft Allgemein

Der Klimawandel ist derzeit in aller Munde. Von der Politik wird eine Senkung des CO2-Ausstoßes verlangt. Dem anthropogenen Stickstoffeintrag wird dagegen in der Öffentlichkeit weniger Aufmerksamkeit geschenkt. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Bedeutung des zusätzlichen Stickstoffeintrags für die Klimaänderung, sowie mit den Wechselwirkungen des Stickstoffkreislaufs mit dem Kohlenstoffkreislauf und klimarelevanten Gasen.

1. Der Stickstoffkreislauf

Stickstoff ist eines der unverzichtbaren Elemente für lebende Organismen. Den größten irdischen Stickstoffpool stellt die Atmosphäre mit nahezu 78% der Lufthülle dar. Diese etwa 3,9 Mrd. Mt N (3,9 * 10¹⁵ t Stickstoff) liegen zum größten Teil in Form von N₂ vor. (siehe Abb. 1). (vgl. Fritsche (2009): 18). Die Stickstoffmenge, die in den Landpflanzen mit 3 500 Mt N, und der abgestorbenen Biomasse, mit 95 000 bis 140 000 Mt N, gespeichert ist, ist dagegen relativ gering. (vgl. Fabian (2002): 98). Pflanzen benötigen Stickstoff jedoch nicht in inerter, sondern in reaktiver Form, nämlich als Nitrat- (NO₃^-) oder Ammoniumionen (NH₄⁺), welche häufig den limitierenden Faktor des Pflanzenwachstums darstellen. (vgl. Fritsche (2009): 18). Durch die Denitrifikation, die Reduktion von NO₃^-, und die Nitrifikation, die Oxidation von NH₄⁺, kommt es zu ständigen Stickstoffverlusten. Desweiteren gelangt ein gewisser Anteil dieser Ionen in Gewässer. Durch die Stickstofffixierung aus der Atmosphäre müssen diese Verluste kompensiert werden. (vgl. Fabian (2002): 99).

Die natürliche Stickstofffixierung kann entweder durch Blitze erfolgen, oder durch Algen und Bakterien. Durch die elektronische Entladung in Blitzen entstehen Stickstoffoxide (NO_x), die mit OH zu Salpetersäure (HNO₃) reagieren und durch Niederschlagt als Nitrat in den Boden gelangen. Die jährliche Stickstofffixierung durch Blitze liegt etwa zwischen 5 und 20 Mt. Da die jährliche biologische Stickstofffixierung von 130 Mt (vgl. Fritsche (2009): 19) demgegenüber bedeutend wichtiger ist, fällt die Diskrepanz der jährlichen Fixierung von 15 Mt N durch Blitze nicht ins Gewicht. Bei der biologischen Stickstofffixierung werden Ammonium und Nitrat im Boden gebildet und können so von den Pflanzen über die Wurzeln direkt aufgenommen werden. (vgl. Fabian (2002): 98).

Zusätzlich zum natürlichen Eintrag von reaktiven Stickstoffverbindungen werden durch den Menschen jährlich etwa 80 Mt N in Form von Ammonium-Kunstdünger auf landwirtschaftliche Flächen ausgebracht (vgl. ebd.: 99), sowie 50 Mt N/Jahr als NO_x aus Verbrennungsprozessen in die Atmosphäre und nach dessen Umwandlung in Nitrat in den Boden abgegeben (vgl. Fritsche (2009): 19). Hinzu kommt der zusätzliche Leguminosenanbau (s. u.), der mit 40 Mt N/Jahr die biologische Stickstofffixierung verstärkt. Mit 170 Mt N/Jahr aus anthropogenen Quellen entspricht das mehr als der Hälfte des gesamten Stickstoffeintrags. (vgl. Fabian (2002): 99).

Abb. 1: Globaler Stickstoffkreislauf. (Eigene Darstellung nach Fritsche (2009), Fabian (2002), Smith, Smith (2009)).

Entsprechend der Nettoprimärproduktion von Kohlenstoff, die etwa 60 Gt/Jahr durch die Landvegetation ausmacht (s.u.), wäre eine jährliche Stickstofffixierung von etwa 1 200 Mt erforderlich. Dies ist jedoch ungefähr das Achtfache der Stickstofffixierung durch die Atmosphäre. Daher wird vermutet, dass der Großteil des Stickstoffs über „interne Kreisläufe zwischen lebender und abgestorbener Biomasse direkt zirkuliert“ (ebd.).

Über Prozesse der Stickstoffmineralisierung toter organischer Substanzen wird der atmosphärische Teil des Kreislaufs geschlossen. Das durch Bodenbakterien gebildete NH₄⁺ wird durch andere Bakterien zu NO₃^- oxidiert. Sowohl NH₄⁺ als auch NO₃^- kann von Pflanzen direkt aufgenommen werden. Denitrifizierende Bakterien reduzieren NO₃^- zu N₂, wodurch es der Atmosphäre wieder zurückgegeben wird. (vgl. ebd.). Etwa 130 bis 230 Mt N/Jahr gelangen so wieder in den atmosphärischen Pool. (vgl. Fritsche (2009): 18). Stickstoffmonoxid (NO), das Nebenprodukt bakterieller Nitrifikation, entweicht in die Luft, was etwa 10 Mt N/Jahr bedeutet. Die durch Bodentemperatur und –feuchte gesteuerte NO-Abgabe ist dann besonders hoch, wenn die Nitrifikation durch den Eintrag von Ammoniumdünger stimuliert wird. Bei einer hohen atmosphärischen NO-Konzentration nehmen die Böden NO auf und fungieren so als NO-Senke. Dieses Spurengas spielt in der Ozon-Photochemie eine wichtige Rolle (s.u.). Als weiteres Nebenprodukt entsteht Distickstoffoxid oder Lachgas (N₂O), das ein effektives Treibhausgas darstellt (s.u.). Da N₂O in der Troposphäre nicht abgebaut wird, dient es in...

Inhaltsverzeichnis

• Inhaltsverzeichnis
• 1. Der Stickstoffkreislauf
• 2. Auswirkungen der zunehmenden Stickstofffixierung
• 3. Fazit
• Literaturverzeichnis
• Impressum