Mehr Biomasse, weniger Artenvielfalt: Forschende finden die Ursachen für Artenrückgang durch Nährstoffeinträge

Mit ihrem weltweiten Experiment tragen die Forschenden unter Leitung des Deutschen Zentrums für integrative Biodiversitätsforschung (iDiv), des Helmholtz-Zentrums für Umweltforschung (UFZ) und der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg (MLU) wesentlich dazu bei, die Reaktion von Ökosystemen auf menschlich verursachte Nährstoffeinträge zu verstehen. So fanden sie heraus, dass bei verstärkten Nährstoffeinträgen im Grasland über längere Zeiträume mehr Arten verloren gehen als neu hinzukommen. Außerdem siedeln sich weniger neue Arten an als unter natürlicher Nährstoffverfügbarkeit. Diese neuen Erkenntnisse erklären, weshalb Nährstoffüberschüsse die Pflanzenvielfalt im Grasland verringern.

Einer der Gründe für die weltweite Bedrohung der Biodiversität ist, dass wir Menschen in unsere Umwelt mehr Nährstoffe einbringen, als dort natürlicherweise vorhanden wären, etwa beim Düngen landwirtschaftlicher Flächen. Zusätzlich verteilen Niederschläge die Nährstoffe auch auf weitere Flächen, und auch über Luftverunreinigungen gelangen Nährstoffe in unsere Böden.

Naturnahe Wiesen sind der Lebensraum für viele unterschiedliche Pflanzenarten wie Gräser, Kräuter, Wildblumen oder Orchideen, die immer häufiger durch menschliche Eingriffe gefährdet sind. Zum Wachsen brauchen Pflanzen drei Dinge: Kohlenstoffdioxid (CO₂) aus der Luft, Wasser und Nährstoffe aus dem Boden. Letztere sind in naturnahen Wiesen Europas meist rar.

Dies begrenzt zwar das Wachstum der einzelnen Pflanzen, begünstigt aber, dass viele verschiedenen Arten nebeneinander wachsen können. Übermäßige Mengen an Nährstoffen erzeugen jedoch das Bild, das in unserer Landschaft heute allgegenwärtig ist: saftig grüne Wiesen, jedoch ohne die bunte Blütenpracht von einst.

Dass Nährstoffüberschüsse die Artenvielfalt reduzieren, ist lang bekannt, jedoch war bislang unklar, wie es dazu kommt. Forschende von iDiv, UFZ und MLU haben nun in Zusammenarbeit mit einem großen internationalen Team die Ursachen für dieses Phänomen untersucht. Dafür erfassten sie in Experimenten auf 59 Standorten auf sechs Kontinenten über 13 Jahre hinweg die pflanzliche Artengemeinschaft auf gedüngtem und ungedüngtem Grasland.

„Die Zusammensetzung der Pflanzenarten im Grasland verändert sich immer leicht; das ist ganz normal“, sagt Dr. Emma Ladouceur, Erstautorin der Studie und Wissenschaftlerin bei iDiv und dem UFZ.

„Für die einen Arten sind die Bedingungen in einem Jahr nicht optimal und sie können nur wenige Samen produzieren oder aus diesen gehen keine neuen Pflanzen mehr hervor. Dafür keimen wiederum andere Arten, deren Samen schon im Boden lagen oder durch Wind oder Tiere eingetragen wurden. So können Arten neue Räume einnehmen und besiedeln. Je höher die Artenvielfalt, desto höher die Wahrscheinlichkeit, dass Arten vorhanden sind, die an die Lebensbedingungen angepasst sind und Ökosystemleistungen erbringen, von denen die Menschen vor Ort abhängen.“ 

Bei hohen Nährstoffeinträgen gehen mehr Arten verloren und es kommen weniger neue hinzu

Wie erwartet, zeigte sich auch bei diesem Experiment im Laufe der Zeit ein konsequenter Rückgang der Arten auf den nährstoffangereicherten Flächen. Um die Beobachtungen auf Entwicklungen der Pflanzenarten zurückführen zu können, unterteilten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die Pflanzengemeinschaften in drei Kategorien: Arten, die während des gesamten Untersuchungszeitraums dauerhaft an einem Standort vorhanden waren, Arten, die von einem Standort verschwanden, und Arten, die neu hinzukamen. 

Die Analysen zeigten: Einerseits gingen im Untersuchungszeitraum auf den gedüngten Flächen mehr Arten verloren als in den ungedüngten Grasländern, andererseits kamen in dieser Zeit auch weniger neue Arten hinzu. Auch auf den ungedüngten Flächen änderte sich die Artenzusammensetzung. Verluste und Zugewinne hielten sich hier jedoch die Waage – die Anzahl der Arten blieb insgesamt konstant. 

Darüber hinaus erfassten die Forschenden die entstandene oberirdische Biomasse. Auf den gedüngten Versuchsflächen war erwartungsgemäß die Trockenmasse der geernteten Pflanzen höher als auf den ungedüngten, und das schon im ersten Jahr des Experiments.

Dieser Zuwachs war zu rund 60 % auf Pflanzenarten zurückzuführen, die permanent an einem Standort vorhanden waren. Die restlichen 40 % der Biomasse wurde von neu hinzugekommenen Arten produziert, wenngleich auch jährlich weniger neue Arten hinzukamen als auf den ungedüngten Versuchsflächen. 

Studie liefert wertvolle Informationen für den praktischen Naturschutz 

„Unsere Studie verdeutlicht, wie dynamisch Pflanzengemeinschaften sind, und dass Arten ständig kommen und gehen“, sagt Seniorautor Prof. Stanley Harpole, Leiter der Forschungsgruppe Physiologische Diversität am UFZ, iDiv und an der MLU. „In gesunden Ökosystemen gleicht sich das aus und die Vielfalt bleibt erhalten. Aber unter menschlichen Einflüssen wie Nährstoffeinträgen bricht dieses Gleichgewicht zusammen, und Arten können insgesamt verloren gehen, selbst wenn neue hinzukommen.“

Harpole fügt hinzu: „Die Ergebnisse unterstreichen auch, dass eine funktionierende Pflanzengemeinschaft davon abhängt, wie die fortbestehenden Arten ihr Verhalten unter den neuen Bedingungen ändern, zusammen mit den Funktionen, die durch verlorene Arten weggefallen sind oder durch neue Arten eingeführt wurden.“

Mit ihrer Studie liefern die Forscher auch wertvolle Hinweise für den praktischen Naturschutz. „Für Naturschutzgebiete neben einer landwirtschaftlich genutzten Fläche ist es wichtig zu wissen, wie sich der Nährstoffabfluss auf das naturnahe Ökosystem auswirkt, um dann gezielt Maßnahmen zu seinem Schutz ergreifen zu können“, sagt Harpole. 

Die Studie wurde im Rahmen des 2005 gegründeten internationalen Forschungsnetzwerks NutNet (Nutrient Network) durchgeführt und u. a. gefördert durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG; FZT-118). Die Versuchsflächen sind über sechs Kontinente verteilt (zwei Standorte in Asien, vier in Afrika). 

Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Ecology Letters veröffentlicht.

Originalveröffentlichung: Emma Ladouceur, Shane A. Blowes, Jonathan M. Chase, Adam T. Clark, Magda Garbowski, …, Anne Ebeling, Nico Eisenhauer, …, Christiane Roscher, … & W. Stanley Harpole (2022): Linking changes in species composition and biomass in a globally distributed grassland experiment. Ecology Letters. DOI: 10.1111/ele.14126

Dieser Artikel hat die Auszeichnung „Open Data“ und „Open Materials“ erhalten. Daten und Materialien sind verfügbar unter: DOI: 10.6073/pasta/293faff7ed2e287b56e85796c87c3e4b.

Weitere Informationen über das Projekt „Nutrient Network“ (auf Englisch):
www.nutnet.org