Stickstoffzugaben über Kronenschicht und Unterwuchs führen zu divergenten räumlich‑zeitlichen Mustern der Stickstoffspeicherung in einem gemäßigten Wald

Warum zusätzlicher Stickstoff in Wäldern wichtig ist

Weltweit setzen menschliche Aktivitäten Wälder zunehmend reaktivem Stickstoff aus, einem wichtigen Nährstoff in Düngemitteln und bei Luftverschmutzung. Dieser unsichtbare Niederschlag kann das Baumwachstum ankurbeln, aber er kann auch Böden, Gewässer und die Biodiversität destabilisieren. Um vorauszusagen, in welche Zukunft wir steuern, müssen Wissenschaftler eine einfache, aber überraschend knifflige Frage beantworten: Wenn Stickstoff in einem Wald landet, wo landet er tatsächlich? Diese Studie geht genau dieser Frage nach, indem sie Stickstoff, der oberhalb der Baumkronen ausgebracht wird, mit Stickstoff vergleicht, der direkt auf den Waldboden in einem gemäßigten Wald in China gesprüht wird.

Zwei Wege, wie Stickstoff in einen Wald gelangt

Die meisten Experimente, die Stickstoffverschmutzung nachahmen, bringen Düngemittel einfach auf dem Boden aus. In der Realität trifft jedoch ein großer Teil des Stickstoffs in Regen, Schnee und trockenen Partikeln zuerst auf die belaubte Krone, wo er abgefangen, umgewandelt oder sogar verloren gehen kann, bevor er den Boden erreicht. Die Forschenden nutzten einen jungen Sekundär-Eichenwald in den Qinling-Bergen, einer Region, die zu einem Brennpunkt für atmosphärische Stickstoffdeposition geworden ist. Sie setzten Drohnen ein, um kleine Mengen mit einem stabilen Isotopen-„Tag“ angereicherten Stickstoffs oberhalb der Krone zu versprühen, und Rucksackzerstäuber, um denselben markierten Stickstoff im Unterwuchs und auf dem Boden auszubringen. Indem sie diesen harmlosen Tracer über ein ganzes Jahr verfolgten, konnten sie die Reise des Stickstoffs in Blätter, Holz, Wurzeln und Bodenschichten mit ungewöhnlicher Präzision nachzeichnen.

Dem markierten Stickstoff durch den Wald folgen

Das Team brachte zwei gebräuchliche anorganische Stickstoffformen aus, Ammonium und Nitrat, sowohl in Kronen‑ als auch in Unterwuchsanwendungen. Anschließend entnahmen sie zu mehreren Zeitpunkten über 365 Tage Proben von Laub, Ästen, Stämmen, Unterwuchs, Wurzeln und Böden bis zu 40 Zentimetern Tiefe. Das Isotopen‑Tag erlaubte es ihnen, neu zugeführten Stickstoff vom vorhandenen Vorrat des Waldes zu trennen. Unmittelbar nach der Ausbringung führte die Düngung des Unterwuchses zu einem höheren Anteil des neuen Stickstoffs im gesamten Ökosystem als die Kronendüngung, vor allem weil wenig abgefangen oder verloren ging, bevor er den Boden erreichte. Im Verlauf des Jahres verringerte sich dieser Unterschied jedoch: Am Tag 365 hatte der Wald etwa 82 Prozent des zugefügten Tracers nach Unterwuchsanwendung und nahezu 70 Prozent nach Kronenanwendung zurückbehalten, was auf eine erhebliche langfristige Speicherung in beiden Szenarien hinweist.

Unterschiedliche Speicherorte für Kronen- und Bodeninputs

Obwohl die Gesamtretention am Ende ähnlich war, unterschieden sich die Speicherorte des Stickstoffs deutlich zwischen den beiden Methoden. Bei Ausbringung oberhalb der Krone reicherte sich mehr des Tracers letztlich in der Baumober‑ und -holzbiomasse an, insbesondere in holzigen Stämmen, die nach einem Jahr zum größten einzelnen Speicherpool wurden. In diesem Fall hielten die Bäume fast doppelt so viel des neuen Stickstoffs wie der Boden, und ein größerer Anteil wanderte auch in tiefere Bodenschichten. Im Gegensatz dazu wurde bei Ausbringung auf dem Waldboden der Stickstoff zunächst stark vom Unterwuchs, aus Sträuchern, Kräutern und oberflächlicher Streu aufgenommen und anschließend vermehrt in den oberen 40 Zentimetern des Bodens gespeichert. Die Unterwuchsanwendung förderte eine hohe Retention in flachen Bodenschichten statt im Holz der Bäume, was unmittelbare Aufnahme durch oberflächennahe Wurzeln und Mikroorganismen sowie geringere Filterwirkung durch die Krone widerspiegelt.

Wie die Stickstoffform ihr Schicksal bestimmt

Die chemische Form des Stickstoffs beeinflusste ebenfalls, wie er sich durch den Wald bewegte. Insgesamt behielt das Ökosystem ähnliche Gesamtmengen an Ammonium und Nitrat, doch die Pflanzen zeigten eine klare Präferenz für Nitrat. Bäume und Sträucher bauten mehr Nitrat in ihr Gewebe ein, insbesondere in langlebige Stämme, während Böden Ammonium und Nitrat in etwa vergleichbaren Mengen festhielten. Dieses Muster ergibt sich wahrscheinlich daraus, dass Nitrat im Bodenwasser mobiler ist und leichter in Pflanzen transportiert wird, während Ammonium dazu neigt, an Bodenpartikel zu binden. Interessanterweise konnten Mikroben und Bodeneigenschaften an diesem relativ stickstoffreichen Standort beide Formen effizient immobilisieren, was dazu beitrug, einen Großteil des zugefügten Stickstoffs vor schnellem Verlust zu bewahren.

Was das für Wälder und das Klima bedeutet

Für den Laien lautet die Kernbotschaft der Studie, dass die Art und Weise, wie wir Stickstoffverschmutzung in Experimenten simulieren, die erhaltenen Antworten stark beeinflussen kann. Stickstoff nur auf den Boden zu geben, überschätzt, wie viel in Oberböden landet, und unterschätzt die Rolle der Krone als Schleuse und langfristigem Speicher in Holz und tieferen Böden. In diesem jungen gemäßigten Wald nährt auf die Krone fallender Stickstoff die Bäume und tiefere Böden langsam, während Stickstoff, der direkt den Unterwuchs erreicht, schnell von Kleinpflanzen und Oberboden eingefangen wird. Beide Wege können einen großen Anteil des zugeführten Stickstoffs speichern, jedoch an unterschiedlichen Orten und auf unterschiedlichen Zeitskalen. Diese Erkenntnisse sollten helfen, Modelle zu verbessern, die Stickstoffverschmutzung mit Waldwachstum und Kohlenstoffspeicherung verknüpfen, und damit die Vorhersagen darüber verfeinern, wie Wälder auf anhaltende Veränderungen der Luftqualität reagieren werden.

Zitation: Yang, Z., Guerrieri, R., Ye, N. et al. Above canopy and understory nitrogen additions lead to divergent spatio-temporal nitrogen retention patterns in a temperate forest. Commun Earth Environ 7, 316 (2026). https://doi.org/10.1038/s43247-026-03313-5

Schlüsselwörter: Stickstoffdeposition, Waldkrone, Bodennährstoffe, Spurstoffanalyse mit stabilen Isotopen, Kohlenstoffspeicherung