Eine neue Studie unter der Leitung der Oregon State University legt nahe, dass Blätter in Waldkronen nicht in der Lage sind, sich unter die Umgebungstemperatur abzukühlen, was wahrscheinlich bedeutet, dass die Fähigkeit der Bäume, schädliche Temperaturerhöhungen zu vermeiden und Kohlenstoff aus der Atmosphäre zu ziehen, in einem wärmeren Zustand beeinträchtigt wird , trockeneres Klima.
Die Ergebnisse einer internationalen Zusammenarbeit, an der Forscher mehrerer Universitäten und Regierungsbehörden teilnahmen, stehen im Gegensatz zu einer vorherrschenden Theorie in der wissenschaftlichen Gemeinschaft, dass Blätter des Blätterdachs ihre Temperatur in einem optimalen Bereich für die Photosynthese halten können – den Prozess, durch den grüne Pflanzen ihre Nahrung aus Sonnenlicht gewinnen und Kohlendioxid.
Heute erschienen im Proceedings of the National Academy of Sciencesist die Forschung wichtig für das Verständnis und die Vorhersage von Pflanzenreaktionen auf den Klimawandel, sagte Hauptautor Chris Still vom OSU College of Forestry, der feststellt, dass mehrere Studien darauf hindeuten, dass sich viele der Wälder der Welt ihrer thermischen Grenze für die Kohlenstoffaufnahme nähern.
„Eine Hypothese, die als begrenzte Blatthomöothermie bekannt ist, argumentiert, dass Blätter durch eine Kombination aus funktionellen Merkmalen und physiologischen Reaktionen ihre Tagestemperatur nahe der besten Temperatur für die Photosynthese und unter dem halten können, was für sie schädlich ist“, sagte Still. „Insbesondere sollten Blätter bei höheren Temperaturen unter die Lufttemperatur abkühlen, typischerweise über 25 oder 30 Grad Celsius. Diese Theorie impliziert auch, dass die Auswirkungen der Klimaerwärmung auf die Wälder teilweise durch die Abkühlungsreaktion der Blätter gemildert werden.“
Ein Teil der Baumkronen im Harvard Forest in Petersham, MA, erwärmt und kühlt sich im Sommer 2013 über einen 24-Stunden-Zyklus ab. Kühlere Farben (Blau, Violett) weisen auf kühlere Temperaturen hin, während wärmere Farben (Rot, Orange) auf wärmere Temperaturen hinweisen . Es gibt deutliche Unterschiede in der maximalen Kronentemperatur zwischen den immergrünen Weißkiefern und den laubabwerfenden Roteichen und Rotahornen. Der Film wurde aus Bildern zusammengestellt, die von einer FLIR A655-Wärmebildkamera aufgenommen wurden, die von 2013 bis 2017 alle 30 Minuten von einem 120-Fuß-Turm über dem Versuchswald aus die Kronendachtemperatur überwachte. Bildnachweis: Donald Aubrecht und Andrew Richardson
Still und seine Mitarbeiter nutzten Wärmebildkameras, um die Temperatur der Blätter der Baumkronen an zahlreichen gut instrumentierten Standorten in Nord- und Mittelamerika zu untersuchen – vom Regenwald in Panama bis zur hochgelegenen Baumgrenze in Colorado – und stellten fest, dass die Blätter der Baumkronen darunter nicht konstant abkühlen Tageslufttemperaturen oder bleiben innerhalb eines engen Temperaturbereichs, wie von der begrenzten Blatt-Homöothermie-Theorie vorhergesagt.
Die Wärmebildkameras wurden auf Türmen montiert, die mit Systemen ausgestattet waren, die Kohlenstoff-, Wasser- und Energie-„Flüsse“ – Austausch zwischen Wald und Atmosphäre – sowie eine Vielzahl von Umweltvariablen messen.
„Die Verwendung von hochfrequenter, kontinuierlicher Wärmebildgebung zur Überwachung von Waldkronen verändert wirklich, was wir darüber lernen können, wie Wälder mit dem Stress steigender Temperaturen umgehen“, sagte Andrew Richardson, Professor an der Northern Arizona University und Mitautor der Studie . „Vor den Wärmebildkameras musste man Thermoelemente mit Pflastern an die Blätter kleben und warten, bis der Wind sie abriss, wenn man die Temperatur der Überdachung messen wollte viele Jahreszeiten und Jahre.“
Die Studie zeigte, dass Blätter sich schneller erwärmen als Luft, den größten Teil des Tages wärmer als Luft sind und nur am mittleren bis späten Nachmittag unter die Lufttemperatur abkühlen. Die zukünftige Klimaerwärmung wird wahrscheinlich zu noch höheren Temperaturen der Blätter der Baumkronen führen, was sich negativ auf den Kohlenstoffkreislauf der Wälder auswirken und das Sterblichkeitsrisiko der Wälder erhöhen würde, sagen die Wissenschaftler.
„Die Blatttemperatur ist seit langem als wichtig für die Pflanzenfunktion anerkannt, da sie den Kohlenstoffstoffwechsel und den Wasser- und Energieaustausch beeinflusst“, sagte Still. „Wenn die Photosynthese der Baumkronen mit steigender Temperatur abnimmt, wird die Fähigkeit der Wälder, als Kohlenstoffsenke zu fungieren, verringert.“
Die Blatttemperatur in verschiedenen Lebensräumen wird davon beeinflusst, wie die Blattgröße je nach Klima und Breitengrad sowie der Baumkronenstruktur variiert, erklärt Still. Große Blätter kommen hauptsächlich in warmen und feuchten Klimazonen vor, und Blattmerkmale wie ein höheres Reflexionsvermögen und kleinere Größen, die die Fähigkeit zur Wärmeableitung verbessern und zu einer stärkeren Kühlung führen, treten hauptsächlich bei Pflanzen auf, die in heißen, trockenen Gebieten wachsen.
In weiten Teilen der warmen, feuchten Tropen nähert sich die Blatttemperatur bereits den Schwellenwerten für eine positive Nettophotosynthese oder überschreitet sie – die Kohlenstofffixierungsrate minus der Kohlendioxidverlustrate während der Pflanzenatmung.
„Wenn Blätter im Allgemeinen wärmer sind als die Umgebungsluft, wie unsere Ergebnisse vermuten lassen, nähern sich Bäume möglicherweise schneller als erwartet kritischen Schwellenwerten für Temperaturstress“, sagte Richardson.
„Unsere Ergebnisse haben große Auswirkungen darauf, zu unterschätzen, wie sich Pflanzen an die Erwärmung gewöhnen, und sie deuten auf eine begrenzte Fähigkeit der Blätter des Blätterdachs hin, ihre Temperatur zu regulieren“, fügte Still hinzu. „Unsere Daten und Analysen deuten darauf hin, dass ein sich erwärmendes Klima zu noch höheren Blatttemperaturen führen wird, was wahrscheinlich zu einer Verringerung der Kohlenstoffassimilationskapazität und schließlich zu Hitzeschäden führt.“
Keine Hinweise auf eine Thermoregulation der Blätter im Kronendachmaßstab, um Blätter in einer Reihe von Waldökosystemen unter die Lufttemperatur zu kühlen, Proceedings of the National Academy of Sciences (2022). DOI: 10.1073/pnas.2205682119