Verlust der Biodiversität im Boden

Ein Regenwurm befindet sich auf einem Bodenaggregatzum Vergrößern anklicken
Ein Regenwurm und sein Lebensraum Boden.
Quelle: S. Marahrens / Umweltbundesamt

Unsere Böden sind nicht öde und leer. Weltweit leben 1.000.000.000-mal mehr Bakterien im Boden als es Sterne im Weltall gibt. In einem Teelöffel Boden können wir allein eine Million Bakterien, 120 Tausend Pilze und 25 Tausend Algen finden - alle mikroskopisch klein. Diese Kleinstlebewesen erfüllen wichtige Funktionen im Stoffkreislauf.

Der Boden lebt

„Pflanzen, Tiere, Pilze und Mikroorganismen reinigen Wasser und Luft und sorgen für fruchtbare Böden. Intakte Selbstreinigungskräfte der Böden und Gewässer sind wichtig für die Gewinnung von Trinkwasser. Die natürliche Bodenfruchtbarkeit sorgt für gesunde Nahrungsmittel. Dies alles funktioniert nicht mechanisch, sondern läuft in einem komplexen Wirkungsgefüge ab. Ökosysteme verfügen über eine hohe Aufnahmekapazität und Regenerationsfähigkeit – aber sie sind nicht beliebig belastbar“.

Dieses Zitat aus der Nationalen Strategie zur biologischen Vielfalt (Nationale Biodiversitätsstrategie) von 2007 beschreibt prägnant den Nutzen, den wir Menschen aus der biologischen Vielfalt ziehen, sozusagen ihre Servicefunktion. Die Strategie enthält vereinbarte Maßnahmen, die unter anderem auch zur Verbesserung des Lebensraums Boden und damit zur Erhaltung dieser Servicefunktion beitragen sollen. Boden ist ein Lebensraum, der für die Biodiversität von enormer Bedeutung ist. Trotz langjähriger bodenbiologischer Forschungen wissen wir über die Biologie im Boden noch nicht genug. Die Systeme sind hoch komplex und „entziehen“ sich unserem Blick. Durch die Einführung moderner molekularbiologischer, optoelektronischer und gentechnischer Verfahren einerseits und Ansätzen, die das Ökosystem Boden als Ganzes betrachten, andererseits sind in den letzten Jahren Fortschritte erzielt worden.

Ein Gramm Boden enthält Milliarden von Mikroorganismen: Bakterien, Pilze, Algen und Einzeller. Unter einem Quadratmeter Boden leben Hunderttausende bis Millionen von Bodentieren, wie Fadenwürmer, Regenwürmer, Milben, Asseln, Springschwänze und Insektenlarven. Hochgerechnet auf einen Hektar ergibt das circa 15 Tonnen Lebendgewicht im durchwurzelbaren Bodenraum – das entspricht dem Gewicht von etwa 20 Kühen. Es leben also wesentlich mehr Organismen in als auf dem Boden.

Funktion der Bodenorganismen

Die Rolle, die diese Organismen für den Umsatz von Nährstoffen, den Abbau von Schadstoffen und für die Bodenbildung spielen, ist hoch komplex. Dass Bodenorganismen eine entscheidende Rolle bei der Humus- und Bodenbildung spielen, zeigen die nachfolgenden Beispiele:

  • Bodentiere zerkleinern die Streu, so dass die für Mikroben zur Verfügung stehende Fläche stark vergrößert wird (Pelletierungseffekt).
  • Mikro- und Mesofauna (z.B. Collembolen) ernähren sich selektiv von bestimmten Mikroorganismen und sorgen so dafür, dass diese in einer optimalen Wachstumsphase bleiben.
  • Das für Mikroben relevante Substrat wird durch Bodentiere ständig verändert; zum Beispiel transportieren Regenwürmer und andere Tiere der Makrofauna nährstoffreiche organische Substanz in tiefere Bodenhorizonte.
  • Durch die Aktivität von Tieren können Hemmwirkungen auf Mikroben (Bacteriostasis) aufgehoben werden, zum Beispiel bei Ekto- oder Endosymbiosen.

Vor allem die Mikroorganismen haben wesentliche Funktionen in Bodenökosystemen. Insbesondere erschließen sie Stoffe, die für das Wachstum von Pflanzen wichtig sind:

  • Abbau von pflanzlichen Reststoffen,
  • Beteiligung an der Huminstoffbildung,
  • Stabilisierung von Bodenaggregaten durch Schleimstoffe,
  • Mineralisierung organischer Stoffe und Freisetzen von Nährstoffen,
  • Förderung chemischer Verwitterung,
  • Umwandlung organischer Verbindungen,
  • Bindung und Freisetzung von Luftstickstoff (z.B. Rhizobium-Bakterien),
  • Erschließen von Mineralstoffen, Freisetzung phytoaktiver Substanzen und Vergrößerung des Wurzelsystems (z.B. Mykorrhiza),
  • Oxidation und Reduktion von Verbindungen zahlreicher Elemente wie Schwefel, Mangan, Stickstoff und Kohlenstoff,
  • Abbau von Bioziden und anderen Fremdstoffen.

Dem Bodenleben kommt eine Schlüsselrolle bei den natürlichen Bodenfunktionen zu. Durch die Ab- und Umbautätigkeit werden zum Beispiel organische Pflanzenabfälle in den Boden eingearbeitet, zerkleinert und schließlich zersetzt. So werden letztlich die darin enthaltenen Nährstoffe wieder in mineralischer und damit für die Pflanzen verfügbarer Form freigesetzt. Hierbei sorgen die Bodenorganismen auch gleichzeitig für günstige bodenphysikalische Bedingungen. Denn durch die Verlagerung und Durchmischung des Bodenmaterials (Bioturbation), verbunden mit der Verkittung der Bodenpartikel durch Schleimabsonderungen (Lebendverbauung), sind die Bodenorganismen maßgeblich am Aufbau des Porensystems im Boden beteiligt. Sie bilden stabile Ton-Humus-Komplexe mit hoher Speicherfähigkeit für Wasser und Nährstoffe und sorgen für eine feine, wenig erosionsanfällige Krümelstruktur. Darüber hinaus sind sie in der Lage, bis zu einem gewissen Grade Schadwirkungen organischer Stoffe auf den Boden sowie auf das Grundwasser und die Nahrungskette abzupuffern.

Da es sich bei der Bodenzönose um einen Komplex verschiedener Bodenorganismen (Mikroorganismen, Pflanzen, Tiere, Pilze) handelt, die in ihrer Gesamtheit zur Erfüllung der Lebensraumfunktion beitragen, ist es auch notwendig, diese zu untersuchen. Die Bodenzönose trägt auch zu anderen Bodenfunktionen bei (Stoffumsatz, Bodenfruchtbarkeit). Aussagen über komplexe Umweltwirkungen können also eher über Ergänzung durch biologische Erfassungssysteme gemacht werden.

 

Welche Bodenorganismen gibt es?

Aufgrund der verschiedenen Disziplinen, die sich mit Bodenorganismen befassen, werden diese auch unterschiedlich systematisiert (siehe Tabelle).

Bodenorganismen kommen in unterschiedlicher Dichte im Boden vor, wobei die Anzahl der Organismen und auch die Artanzahl nur indirekte Anhaltspunkte über ihre Bedeutung im Stoff- und Energiekreislauf liefern.

Die Lebensbedingungen der Bodenorganismen hängen von zahlreichen Einfluss- und Belastungsfaktoren ab, die sich grob in zwei Kategorien einteilen lassen:

  • natürliche Standortfaktoren, wie
  • Kleinklima (Bodenfeuchte und -temperatur),
  • Nährstoffstatus,
  • pH-Wert,
  • Wechselbeziehungen in der Lebensgemeinschaft,

vom Menschen verursachte Belastungen, wie

  • mechanische Belastung,
  • Schadstoffbelastung und unausgewogene Nährstoff- und Energiezufuhr,
  • Störungen der Artengemeinschaften im Ökosystem,
  • Entzug der Lebensgrundlagen (z. B. durch Bodenversiegelung).

 

  • Tabelle zeigt die Kriterien nach denen die Bodenorganismen unterteilt werden: Taxonomie, Größe, Vorkommen, Ernährung und Verteilung in der Rhizosphäre
    Unterteilung der Bodenorganismen
    Quelle: Umweltbundesamt
  • Die Tabelle zeigt welchen Arten die Mikroflora des Bodens zugeordnet werden kann. Das geht von Einzellern bis hin zu Wirbeltieren
    Taxonomische Klassifikation der wichtigsten Gruppen der Bodenorganismen
    Quelle: Umweltbundesamt boden-landwirtschaft_bodenbelastungen_biodiversitaet_mikroflora.pdf
  • Das Säulendiagramm zeigt an wieviele der einzelnen Arten im Boden leben. Bakterien kommen billionenfach im Boden vor, während es bei den Asseln unter 100 sind.
    Bodenbiologie: Bakterien und Pilze sind am häufigsten im Boden zu finden
    Quelle: Landesumweltamt Nordrhein-Westfalen (2003)
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Biologische Untersuchungen des Bodens

Mit verschiedenen bodenbiologische Untersuchungsmethoden lassen sich die Lebensraum- und Stoffumsatzfunktionen von Böden charakterisieren und gegebenenfalls bestehende Beeinträchtigungen bestimmen. Hierzu werden Bodenproben im Freiland entnommenen und hauptsächlich die abbauaktive Mikroflora (Bakterien und Pilze) untersucht. Wichtige Parameter für die Kennzeichnung der Bodenmikrobiologie sind die mikrobielle Biomasse sowie die Bodenatmung als Maßzahl für die Stoffwechselrate. Darüber hinaus werden wichtige Teilschritte von Stoffkreisläufen untersucht, an denen die Bodenmikroorganismen maßgeblich beteiligt sind, wie zum Beispiel die Stickstoffmineralisation und verschiedene Enzymaktivitäten. Die Charakterisierung der Bodenbiologie mit ihren bodentypischen Lebensgemeinschaften erfolgt über Individuendichte, die Biomasse und die Artenvielfalt.

Bodenbiologische Untersuchungen sind wichtiger Teil des Untersuchungsprogramms in Deutschland, das auf Bodendauerbeobachtungsflächen in regelmäßigen Abständen durchgeführt wird. Denn bodenbiologische Kenngrößen können als Frühwarnsystem dienen, um schädliche Bodenveränderungen zu erkennen(Barth et al. 2000). Darüber hinaus sind sie auch ein Indikator dafür, ob die „gute fachliche Praxis in der Landwirtschaft“ im Hinblick auf die Erhaltung oder Förderung der biologischen Aktivität gewahrt wurde. Schließlich sind sie Bewertungsgrundlage für die Überprüfung von Grenzwerten für Schadstoffe wie Schwermetalle und schädliche organische Verbindungen in Bezug auf den Wirkungspfad Boden/Bodenorganismen.

Assoziative Mikroorganismen und Symbiosen

Die Wechselwirkungen zwischen Böden, Pflanzen und Bodenorganismen sind besonders eng in der Rhizosphäre, also im Wurzelraum der Pflanzen. Hier bilden sich besondere Lebensgemeinschaften aus, die als assoziative Wechselwirkungen und Symbiosen bezeichnet werden. Bakterien der Gattungen Azotobacter, Clostridium, Pseudomonas und andere können Luftstickstoff binden und diesen in gelöster Form den Pflanzen zur Verfügung stellen. Bei Leguminosen ist dies mit Rhizobium-Bakterien in Form einer spezialisierten Symbiose noch weiter entwickelt.

Andere Mikroorganismen produzieren phytoeffektive Substanzen, die einen positiven Einfluss auf das Pflanzenwachstum oder die Pflanzengesundheit haben. Pilze bilden mit Pflanzen eine sehr enge Symbiose, die Mykorrhiza. Bei Waldbäumen spricht man von Ektomykorrhiza, weil die Pilzhyphen außen auf der Wurzeloberfläche als sogenanntes „Hartig’sches Netz“ aufliegen. Die Furchtkörper sind unsere bekannten Speisepilze. Bei Ericaceen und Orchideen treten spezialisierte Mykorrhizapilze auf, die keine Fruchtkörper bilden. Viele krautige Pflanzen bilden mit Pilzen der Gattung Zygomycetes (Jochpilze) eine Endomykorrhiza aus, die nicht wirtspezifisch ist. Diese sogenannte VA-Mykorrhiza bildet im Innern der Wurzeln Vesikel als Speicherorgane der Pilze und Arbuskeln (bäumchenartige Strukturen) als Ort des Stoffaustausches aus. Die Pilzhyphen sind in der Lage, die Pflanzen besser mit Wasser und Mineralstoffen zu versorgen als die nur 0,1 Millimeter langen Wurzelhaare. Durch Inokulation (Impfung) von Kulturpflanzen mit diesen Pilzen können höhere Erträge oder eine höhere Vitalität der Pflanzen erreicht werden (Glante, 1988).

  • Hier sieht man die Symbiose zwischen Pilzen und Pflanzen: Mykorrhiza. In einer Wurzel sind mal blau angefärbte Punkte
    Mykorrhiza
    Quelle: Marion Tauschke / ZALF e.v.
  • Lichtmikroskopbild einer Feinwurzel, die eine Symbiose mit einem Pilz eingegangen ist. Der Pilz ist als blaue Knubbel in der Fadenförmigen Struktur zu sehen
    Mykorrhiza - Pilz lebt in Symbiose mit den Feinwurzeln einer Pflanze
    Quelle: Marion Tauschke / ZALF e.v.
  • Große Pflanzenwurzel mit kleinen Knubbeln
    Wurzelknolle - Hier haben Mikroorganismen und Wurzeln eine Symbiose gebildet
    Quelle: Frank Glante / Umweltbundesamt
  • Großaufnahme einer Plflanzenwurzeln mit kleinen Knubbeln vor einem roten Hintergrund
    Wurzelknöllchen
    Quelle: Frank Glante / Umweltbundesamt
  • Großaufnahme der Knubbel auf einer Pflanzenwurzel, die die Symbiose zwischen Wurzel und Mikroorganismen zeigt
    Die kugeligen Auswüchse der Wurzel zeigt die Symbiose zwischen Pflanze und Organismen
    Quelle: Frank Glante / Umweltbundesamt
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Schutz der Biodiversität in und auf Böden

Die von der Bundesregierung 2007 verabschiedete „Nationale Strategie zur Biologischen Vielfalt“ berücksichtigt die Bodenbiologie bisher unzureichend. In den Handlungsfeldern werden lediglich Ziele gesetzt, durch die indirekt auch die Bodenorganismen geschützt werden, zum Beispiel ist die Verringerung der Stoffeinträge ein solches Ziel. Aber auch die Ziele des Natur- und Artenschutzes sowie der vorgesehene Extensivierungsbeitrag der Land- und Forstwirtschaft werden einen Beitrag zum Schutz der Bodenorganismen leisten. Erforderlich bleiben weitere Untersuchungen von epigäischen Organismen, um die Wechselwirkungen dieser Tiergruppen mit den endogäischen besser beschreiben zu können. Zum Beispiel sind Spinnen in Agrarlandschaften die wichtigsten wirbellosen Räuber. Welche Effekte diese Tiere auf die anderen Kompartimente der Zönose haben, ist noch zu wenig bekannt.

Rechtliche Regelungen

Die nach Paragraf 2 Bundesbodenschutzgesetz (BBodSchG) zu schützende natürliche Bodenfunktion „Lebensgrundlage für Menschen, Tiere, Pflanzen und Bodenorganismen“ wird oft anhand abiotischer beziehungsweise bodenkundlicher Parameter charakterisiert. Eine belastbare Aussage über die Eignung eines Bodens als Lebensraum für Bodenorganismen kann jedoch nur anhand bodenbiologischer Parameter getroffen werden. Selbst wenn alle determinierenden Faktoren für die Verbreitung (das Potenzial) einer Zönose ermittelt werden, sagt dies nicht aus, ob diese Zönose auf dem entsprechenden Standort auch vorkommt (Römbke et al., 2000). Das Schutzziel der natürlichen Bodenfunktionen erstreckt sich auch auf die botentypischen Organismen. Für den Schutz gegen schädliche Bodenveränderungen wurde bei der Ableitung von Vorsorgewerten im Bodenschutz der Pfad Boden/Bodenorganismen mit berücksichtigt. Im Unterschied zu Prüf- und Maßnahmewerten gelten die Vorsorgewerte aber für alle Böden und für alle Schutzziele. Die Berücksichtigung der Bodenorganismen ist dem besonderen Schutz der natürlichen Bodenfunktionen geschuldet. Bei der Ableitung von bodenbiologischen Indikatoren für die Charakterisierung eines guten ökologischen Zustands der Böden besteht jedoch noch Forschungsbedarf.

Im vorliegenden Entwurf der Boden-Rahmenrichtlinie ist der Verlust an Biodiversität in Böden nicht untersetzt. Die EU-Kommission geht davon aus, dass die vorgeschlagenen Maßnahmen (Schutz vor Verdichtung, Erosion, Versalzung, Versauerung und Verminderung der Schadstoffeinträge) auch positive Effekte auf die Bodenbiodiversität haben, sie also einen Beitrag zum Ziel der Biodiversitäts-Konvention leisten und den Artenrückgang aufhalten.

In der Thematischen Strategie für den Bodenschutz (EU-Kommission, 2006) wird der Verlust von Biodiversität in Böden als Bodengefahr bezeichnet. Gleichzeitig wird auf diesem Gebiet aber weiterer Bedarf an Forschung ausgewiesen, der mit Projekten im siebten Rahmenprogramm untersetzt werden soll. Dazu wurden im europäischen Bereich einige Projekte und Aktivitäten wie der Atlas zur Bodenbiodiversität durchgeführt.

Bodenbewusstsein schaffen

Verbesserungen der Umweltsituation sind jedoch – das zeigt die Erfahrung – nicht allein durch Gesetze und Verwaltungshandeln sicherzustellen. Es gilt auch, die Öffentlichkeit einzubeziehen. Ein gutes Beispiel aus England: Das Museum of Natural History veranstaltete in 2010 die erste landesweite Regenwurm-Zählung in Großbritannien. Dabei sollten Freiwillige mit einem standardisierten Fragebogen und einer robusten Methode zum Austreiben der Regenwürmer aus dem Boden (mit Senföl), die Regenwürmer bestimmen und zählen und die Ergebnisse an das Museum weitermelden. Bei einer hohen Beteiligung (Stichprobe) sind bei einem solchen Verfahren durchaus befriedigende Ergebnisse zu erzielen. Methodisch ähnliche Biodiversitätsprojekte in Deutschland sind zum Beispiel der jährliche „Tag der Artenvielfalt“ oder die „Stunde der Gartenvögel“. Weitere Beispiele, die Öffentlichkeit mit Bodenorganismen vertraut zu machen, sind die Wanderausstellung „Unter unseren Füßen – Lebensraum Boden“ des Staatlichen Museums für Naturkunde Görlitz oder die Bodenausstellung „unter.welten“ im Museum am Schölerberg in Osnabrück. Das Umweltbundesamt hat als einen Beitrag zur Förderung des Bodenbewusstseins die Kinder-Broschüre „Die abenteuerliche Reise von Fridolin dem Regenwurm“ herausgegeben, in der die Bodengefahren aus Sicht eines Regenwurms geschildert werden.


Die KArte zeigt wo sich der Regenwurm am meisten zu finden ist. Außerdem zeigen die Grafiken, dass er meistens Nadelwald wohnt, bei einem pH-Wert von <3,5
Die Verteilung des Regenwurms Dendrobaena Octaedra
Quelle: Umweltbundesamt

Weitere Forschungsarbeit

Der wissenschaftliche Beirat Bodenschutz beim BMU (1998-2003) stellte für die Bearbeitung der bodenbiologischen Fragen vier Forderungen auf:

  • Bodenorganismen sind wesentlich an den Abbau-, Aufbau- und Umbauvorgängen im Boden und damit an den Stoffkreisläufen, indirekt auch am Wasserkreislauf, beteiligt. Der vorsorgende Schutz der Lebensraumfunktion der Böden beziehungsweise die Bewertung einer Beeinträchtigung dieser Funktion steht somit in engem Zusammenhang mit den gesamten natürlichen Funktionen des Bodens (sowie einem Teil der Nutzungsfunktionen), deren Beeinträchtigung soweit wie möglich vermieden werden sollte. Aus diesem Grund hält der Beirat die Erarbeitung von Anforderungen zum vorsorgenden Schutz der Lebensraumfunktion von Böden für dringend geboten.
  • Für die Bewertung der Lebensraumfunktion sollte ein Konzept erarbeitet werden, für das, neben stofflichen Einwirkungen, vor allem Ergebnisse aus Untersuchungen zur Verbreitung von Biozönosen in Böden heranzuziehen sind. Hierfür sind Referenzböden festzulegen, deren bodenbiologische Güte im Rahmen von Monitoringvorhaben regelmäßig überwacht wird.
  • Für eine flächenhafte Beurteilung der Lebensraumfunktion von Böden erscheinen die heute zur Verfügung stehenden Daten nicht ausreichend. Eine Erweiterung der Datenbasis, zum Beispiel durch Kooperation von Betreibern der Bodendauerbeobachtungsflächen und der Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe, wird daher als wichtiger nächster Schritt angesehen.
  • Ferner regt der Beirat an, orientierende Kennwerte für die Beurteilung der natürlichen Bodenfunktionen und der landwirtschaftlichen Nutzungsfunktion von Böden zu erarbeiten, in die auch physikalische Einwirkungen (z. B. durch erhebliche Änderung des Bodenwasser- und Bodenlufthaushaltes) und die Einwirkungen von Nährstoffen und anderen Stoffströmen einzubeziehen sind.

Diese Forderungen haben trotz der bisherige Arbeiten des UBA auf diesem Gebiet (Erarbeitung bodenbiologischer Güteklassen, Workshops zur Bodenbiologie) nichts von ihrer Aktualität eingebüßt und sollen daher in der weiteren Forschungsarbeit weiter verfolgt werden. In einem Forschungsprojekt wurden zahlreiche Daten aus der Boden-Dauerbeobachtung und aus zoologischen Sammlungen deutscher Museen ausgewertet. Für einige Arten und Artengruppen konnten typische Vorkommen abgeleitet werden.

Im Programm der Boden-Dauerbeobachtung sind die regelmäßig erhobenen Organismengruppen unzureichend. Es fehlen zum Beispiel Käfer, Spinnen und Milben. In die Bodenmikrobiologie haben neuere Verfahren (DNS-Screening) noch keinen Eingang in ein Monitoring gefunden. Bei der Untersuchung der Wirkungen von Luftverunreinigungen auf Böden und bei Untersuchungen des Einflusses gentechnisch veränderter Organismen auf Bodenorganismen greifen Arbeitsgruppen des VDI inzwischen auf bodenbiologische Parameter zurück und vereinheitlichen die Methoden der Bioindikation. Daher ist es notwendig, den Wissensstand weiter zusammenzutragen und über die Auswertung vorhandener Daten schlüssige Aussagen zum bodenbiologischen Zustand zu treffen, um daraus mittelfristig

  • eine Verbesserung des Bodenmonitorings (BDF-Programm),
  • eine ökologische Bewertung der Böden,
  • Maßnahmenvorschläge zum weiteren Bodenschutz abzuleiten.
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