Bodenkühe

Wenn ich Menschen erzähle, dass ich Treibhausgasemissionen aus landwirtschaftlichen Böden messe, ist die häufigste Antwort “Oh, Sie arbeiten mit Kühen.” Beinahe jeder scheint zu wissen, dass Kühe das Treibhausgas Methan (CH4) ausstoßen (was ich sehr gut finde). Allerdings wissen viel weniger Menschen, dass auch Böden eine sehr wichtige Rolle in Bezug auf CH4 spielen. Die folgende Grafik gibt einen kleinen Überblick über CH4 in Böden.

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In Böden wird CH4 von bestimmten Mikroorganismen produziert, den sogenannten Methanogenen. Die Produktion von Methan ist der letzte Schritt beim Abbau von organischem Material unter anoxischen (= sauerstofffreien) Bedingungen. Methanogene wandeln entweder kleine organische Moleküle oder Kohlenstoffdioxid (CO2) zu CH4 um, und sie können dies nur unter anoxischen Bedingungen, da sie sehr empfindlich gegenüber Sauerstoff (O2) sind. Böden können permanent anoxisch unterhalb des Grundwasserspiegels sein, oder temporär anoxische Zonen oberhalb des Grundwasserspiegels ausbilden, z.B. nach starkem Regen. Der größte Teil des CH4 im Boden wird unterhalb des Grundwasserspiegels im permanent wassergesättigtem Bereich produziert. Daher sind Feuchtgebiete und Reisfelder starke CH4-Quellen auf regionaler sowie globaler Ebene.

Gase diffundieren immer von einem Bereich mit hoher Konzentration zu einem Bereich mit niedriger Konzentration. Im Fall von CH4 bedeutet das, dass es aus der anoxischen Bodenzone in die gut belüftete (= oxische) Bodenzone diffundiert. Die oxische Bodenzone beherbergt eine andere Gruppe von Mikroorganismen, die sogenannten Methanotrophen. Methanotrophe ernähren sich von CH4 und O2 und wandeln diese in CO2 um. Nur CH4, das nicht verzehrt wird, kann den ganzen Weg bis zur Bodenoberfläche und schließlich in die Atmosphäre diffundieren. Eine gut belüftete Bodenschicht von 20 cm Mächtigkeit ist ausreichend, um die CH4-Emissionen aus wassergesättigten Böden komplett zu unterbinden. Methanotrophe können auch CH4 aufnehmen, das aus der Atmosphäre in den Boden diffundiert. Daher können gut belüftete Böden auch bedeutende Senken für atmosphärisches CH4 sein. Wer mehr über den globalen CH4-Kreislauf und CH4 in Böden wissen möchte, dem empfehle ich die nachfolgenden Links: Warum verschwindet Methan im Waldboden?, 5. Bericht des IPCC (auf Englisch)5. Bericht des IPCC (auf Englisch).

Und jetzt komme ich und sage, dass ich CH4-Produktion in gut belüfteten Böden messen werde. Warum sollte das von Bedeutung sein? Da kommen wir wieder auf die Kühe zurück: Methanogene leben sehr gerne im Verdauungstrakt von Kühen, weil es dort anoxisch ist und es mehr als genug organisches Material als Futter gibt. In Böden bedienen sich einige Methanogene des gleichen Tricks, indem sie im Darm von Blatthornkäferlarven leben, wo es völlig irrelevant für sie ist, wie gut belüftet der umgebende Boden ist. Darum nenne ich diese Käferlarven „Bodenkühe“!

Es gibt über 30000 Blatthornkäferarten und die Anzahl von Larven in Böden kann sehr hoch sein. Daher könnten Blatthornkäferlarven eine sehr wichtige CH4-Quelle sein. Ich sage „könnte“, denn bisher hat es noch keiner im Feld gemessen. Ich beschäftige mich jetzt schon seit fast 10 Jahren mit CH4 in Böden und ich habe erst letztes Jahr gelernt, dass Blatthornkäferlarven kleine „Bodenkühe“ sind.

In meinem Projekt “CH4ScarabDetect” habe ich mir den Feldmaikäfer und den Waldmaikäfer als Untersuchungsobjekte ausgewählt, um erste Eindrücke über die Bedeutung von Blatthornkäferlarven als potenzielle CH4-Quelle im Boden zu gewinnen. Warum ich gerade diese beiden Arten ausgewählt habe, wird Thema meines nächsten Blogeintrags sein. Als kleine Einstimmung hier schon mal ein Foto einer Waldmaikäferlarve.

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Soil cows

When I tell people what I do (“I measure greenhouse gas emissions from agricultural soils.”), the most common answer is “Oh, you are working with cows.” Almost everybody – regardless of their background – seems to know that cows emit the greenhouse gas methane (CH4). However, far less people know that soil is another big player when it comes to CH4. The following figure gives a simplified overview of CH4 in soils.

methane-in-soil

In soils, CH4 is produced by a specific group of microorganisms, the so-called methanogens. Methane production is the last step in the degradation of soil organic matter under anoxic conditions (i.e. without oxygen). Methanogens convert either small organic compounds or carbon dioxide (CO2) to CH4, and they can only do it under anoxic conditions because they are very sensitive to oxygen (O2). Soils can be permanently anoxic below the groundwater table, or develop temporarily anoxic zones above the groundwater table, e.g. after heavy rain. Most of the CH4 in soils is produced below the groundwater table, which means that wetlands and rice fields are very important CH4 emitters on a regional and also global scale.

Gases will always diffuse from an area of high concentration to an area of low concentration. In the case of CH4, it will diffuse from the anoxic soil zone to the well-aerated (=oxic) soil zone. That zone is inhabited by another group of microorganisms, so-called methanotrophs. They feed on CH4 and O2 and convert these to CO2. Only CH4 which is not consumed by methanotrophs can diffuse all the way to the soil surface and into the atmosphere. An aerated soil layer of 20 cm is already sufficient to completely prevent CH4 emissions from waterlogged soils. Methanotrophs are also able to consume CH4 which diffuses from the atmosphere into the soil. As a result, well-aerated soils can be significant sinks for atmospheric CH4. For more detailed information about the global CH4 cycle and CH4 in soils follow these links: IPCC 5th Assessment report, mini review in Environmental Microbiology.

And now I come along and say that I am going to measure CH4 production in well-aerated soils. Why should that be of any interest? That’s where the cows come into play: Methanogens love to live in the rumen of cows because it is anoxic and there is plenty of organic matter to degrade. In soils, some methanogens use the same trick by living in the gut of scarab beetle larvae, where they don’t have to care at all about O2 in the soil. This is why I call scarab beetles “soil cows”!

There are over 30,000 species of scarab beetle and the number of larvae in soils can be quite large. Therefore, scarab beetle larvae might be a very important source of CH4. I say ‘might’ because, to my knowledge, nobody has ever measured it in the field. I have been studying CH4 production in soils for almost 10 years now and I just learned a year ago that scarab beetle are small “soil cows”. In my project, CH4ScarabDetect, I have chosen the larvae of the common cockchafer and the forest cockchafer as study objects to get a first impression of how important these larvae might be as CH4 sources in soils. Why I have chosen these two species from over more than 30,000 will be the topic of my next post. As a small teaser, find a picture of a forest cockchafer larva below.

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