Trotz jahrzehntelanger industrieller Ablagerungen nimmt die Stickstoffverfügbarkeit – also der Anteil pflanzenverwertbaren Stickstoffs wie Nitrat oder Ammonium im Boden – in den borealen Wäldern stetig ab. Boreale Wälder, auch Taiga genannt, sind ausgedehnte Nadelwälder der kalten Nordhalbkugel, vor allem in Kanada, Russland und Schweden. Sie bestehen überwiegend aus Fichten, Kiefern und Tannen.
Eine neue Studie, veröffentlicht in Nature, zeigt nun: Haupttreiber des Rückgangs ist der steigende CO₂-Gehalt der Atmosphäre. Forschende der Schwedischen Universität für Agrarwissenschaften (SLU) werteten dafür einzigartige Datensätze aus, die über Jahrzehnte gesammelt wurden. Bereits Studien aus Nordamerika und globale Metaanalysen hatten sinkende Werte stabiler Stickstoffisotope in Baumringen dokumentiert – ein Hinweis auf eine abnehmende Stickstoffverfügbarkeit im Zeitverlauf.
Die Swedish University of Agricultural Sciences ist eine staatliche Universität in Schweden mit dem Schwerpunkt auf Land-, Forst- und Umweltwissenschaften. Ihr schwedischer Name lautet Sveriges lantbruksuniversitet (SLU). Sie betreibt Forschung und Lehre unter anderem in Agrarwissenschaften, Forstwirtschaft, Tiermedizin, Umwelt- und Landschaftsplanung und hat mehrere Standorte im Land, darunter in Uppsala, Umeå und Alnarp.
Warum dieser Rückgang stattfindet, war bislang umstritten. Zwei Erklärungen standen im Raum: sinkende atmosphärische Stickstoffeinträge seit den 1990er-Jahren oder steigende CO₂-Konzentrationen. Ein Forschungsteam unter Leitung der Doktorandin Kelley Bassett vom Institut für Waldökologie und -management der SLU konnte diese Frage nun mithilfe von 60 Jahren archivierter Baumkerne klären. Das Material erlaubt es, Stickstoffisotopenwerte von Fichten und Kiefern über Jahrzehnte hinweg nachzuverfolgen.
„Dies ist eine andere Art der Chronologieerstellung. Anstatt einen einzelnen Baum über die Zeit zu verfolgen, vergleichen wir Bäume gleichen Alters aus unterschiedlichen Zeiträumen. So lassen sich Probleme durch interne Stickstoffumlagerungen vermeiden“, erklärt Bassett.
Seit rund einem Jahrhundert erfassen Teams des National Forest Inventory (NFI) Tausende Probeflächen in ganz Schweden. Sie entnehmen bleistiftdünne Bohrkerne, um Alter und Durchmesserwachstum der Bäume für die nationale Waldstatistik zu bestimmen. Inzwischen umfasst das Archiv mehr als eine Million Proben – ein wissenschaftlicher Schatz, der beinahe verloren gegangen wäre.
„Es ist erstaunlich: Die kluge Entscheidung meiner Kollegen vor mehr als 60 Jahren, diese Proben aufzubewahren, ermöglicht heute völlig neue Forschungsansätze“, sagt Jonas Fridman vom Institut für Waldressourcenmanagement und ehemaliger Leiter des NFI. Gemeinsam mit seinem Team machte er das Archiv wieder systematisch zugänglich. „Es war, als hätte man einen USB-Stick mit einem riesigen Roman darauf gefunden“, ergänzt Professor Michael Gundale, der die Isotopenanalyse der Archivproben vorgeschlagen hatte.
Ein landesweites Natur-Experiment
Anhand von 1.609 zwischen 1961 und 2018 gesammelten Baumkernen rekonstruierte das Team eine landesweite Zeitachse der Stickstoffverfügbarkeit. Entscheidend war dabei die geografische Lage Schwedens: Die Stickstoffeinträge variieren von Nord nach Süd um das Vierfache, während der Anstieg des atmosphärischen CO₂ relativ gleichmäßig verläuft – ideale Bedingungen für ein natürliches Experiment.
„Wir haben Modelle entwickelt, die CO₂-Konzentration, Stickstoffeintrag, Temperatur und Walddichte berücksichtigen. Ziel war es, den beobachteten Rückgang der Stickstoffisotope eindeutig zu erklären“, sagt Bassett.
Das Ergebnis ist klar: In allen Regionen Schwedens sanken die Stickstoffisotopenwerte in den Baumringen – sowohl bei Kiefern als auch bei Fichten. Nicht die rückläufigen Stickstoffeinträge, sondern der steigende CO₂-Gehalt erklärt die Muster.
„Als wir CO₂ aus den Modellen herausnahmen, änderte sich das Ergebnis deutlich. Die anderen Faktoren konnten den beobachteten Trend nicht erklären“, so Bassett.
Folgen für Klimamodelle
Die Studie deutet darauf hin, dass steigende CO₂-Konzentrationen die Stickstoffverfügbarkeit in borealen Wäldern verringern – mit potenziell weitreichenden Folgen für Klimaprognosen. Zwar berücksichtigen viele Erdsystemmodelle bereits Nährstoffbegrenzungen des Waldwachstums. Doch die aktuelle Untersuchung liefert einen der bislang umfassendsten empirischen Datensätze zur Frage, wie verbreitet und anhaltend diese Einschränkung ist.
„Die Ergebnisse sind besorgniserregend“, sagt Gundale. Terrestrische Ökosysteme nehmen derzeit rund ein Drittel der globalen Kohlenstoffemissionen auf. Noch ist unklar, ob die sinkende Stickstoffverfügbarkeit das Baumwachstum bereits messbar bremst. Langfristig könnte sie jedoch die Kohlenstoffsenke schwächen – und damit den Klimawandel schneller voranschreiten lassen als bislang angenommen. Für bestehende Erdsystemmodelle sei dies ein deutlicher Hinweis, dass die durch steigendes CO₂ verursachte Nährstoffverknappung nicht nur theoretisch existiere, sondern in borealen Wäldern bereits Realität sei, betont Gundale.
„Lange galt die Annahme: Mehr CO₂ bedeutet mehr Wachstum. Doch ohne ausreichende Nährstoffe funktioniert dieses Versprechen nicht“, sagt Bassett.