Wie sich eine Dürre auf Bäume auswirkt, hängt davon ab, was sie zurückhält

Dürren können gut für Bäume sein; bestimmte Bäume, das heißt.

Entgegen der Erwartung kann manchmal eine rekordverdächtige Dürre das Baumwachstum steigern. Warum und wo dies geschieht, ist Thema eines neuen Artikels in Biologie des globalen Wandels.

Ein Team von Wissenschaftlern unter der Leitung von Joan Dudney von der UC Santa Barbara untersuchte die Dürrereaktion gefährdeter Weißborkenkiefern im vergangenen Jahrhundert. Sie fanden heraus, dass in kalten, rauen Umgebungen – oft in großen Höhen und Breiten – Dürre den Bäumen tatsächlich zugute kommen kann, indem sie die Vegetationsperiode verlängert. Diese Forschung liefert Erkenntnisse darüber, wo die Bedrohung durch extreme Dürre am größten sein wird und wie verschiedene Arten und Ökosysteme auf den Klimawandel reagieren werden.

Viele Faktoren können das Baumwachstum einschränken, darunter Temperatur, Sonnenlicht und die Verfügbarkeit von Wasser und Nährstoffen. Als besonders bedeutsam erweist sich die Schwelle zwischen energielimitierten und wasserlimitierten Systemen. Bäume, die versuchen, bei übermäßig kalten Temperaturen zu wachsen – oft in Systemen mit begrenzter Energie –, können erfrieren. Andererseits kann auch zu wenig Wasser einen Baum töten, insbesondere in wasserarmen Systemen. Im Laufe der Zeit haben sich viele Baumarten an diese extremen Bedingungen angepasst und reagieren weitgehend ähnlich. Sie reduzieren häufig wachstumsbedingte Aktivitäten, einschließlich Photosynthese und Nährstoffaufnahme, um sich zu schützen, bis das Wetter besser wird.

„Interessanterweise kann der Übergang vom energiebegrenzten zum wasserbegrenzten Wachstum höchst unerwartete Reaktionen hervorrufen“, erklärte Dudney, Assistenzprofessor an der Bren School of Environmental Science & Management und am Environmental Studies Program. „In kalten, energiearmen Umgebungen kann extreme Dürre tatsächlich Wachstum und Produktivität steigern, sogar in Kalifornien.“

Dudney und ihre Kollegen extrahierten 800 Baumkerne aus Weißborkenkiefern in der gesamten Sierra Nevada und verglichen die Baumringe mit historischen Aufzeichnungen der Klimabedingungen. Diese Klimadaten erstreckten sich von 1900 bis 2018 und umfassten drei extreme Dürren: 1959–61, 1976–77 und 2012–15. Sie zeichneten auf, wo Baumwachstum und Temperatur einen positiven Zusammenhang aufwiesen und wo der Zusammenhang negativ war.

Die Autoren stellten eine deutliche Wachstumsverschiebung in Dürrezeiten fest, in denen die durchschnittliche Höchsttemperatur zwischen Oktober und Mai etwa 8,4° Celsius (47,1° Fahrenheit) betrug. Oberhalb dieser Schwelle verringerte extreme Dürre das Wachstum und die Photosynthese. Unterhalb dieser Temperatur wuchsen die Bäume als Reaktion auf die Dürre stärker.

„Im Grunde geht es um die Frage ‚Wie lang dauert die Vegetationsperiode?‘“, sagte Dudney. Kältere Winter und eine höhere Schneedecke führen häufig zu kürzeren Vegetationsperioden, was das Baumwachstum einschränkt. Selbst während einer extremen Dürre waren viele der in diesen extremen Umgebungen wachsenden Bäume keinem großen Wasserstress ausgesetzt. Dies überraschte das Wissenschaftlerteam, von dem viele das beispiellose Baumsterben beobachtet und gemessen hatten, das in etwas tieferen Lagen in der Sierra Nevada auftrat.

Dudney war neugierig, ob Dürre das Wachstum nur des Hauptstamms oder des gesamten Baums beeinträchtigt. Ohne weitere Daten könnten die beobachteten Trends das Ergebnis unterschiedlicher Prozesse sein, die alle unterschiedlich auf die Dürre reagieren, erklärte sie. Glücklicherweise behält Weißborkenkiefer ihre Nadeln etwa acht Jahre lang. Dies lieferte zusätzliche Daten, die diese Frage beantworten könnten.

Die Forscher verlagerten ihre Aufmerksamkeit von der Dendrologie auf die Chemie. Atome desselben Elements können aufgrund der Anzahl der enthaltenen Neutronen unterschiedliche Gewichte oder Isotope haben. Mehrere Aspekte des Stoffwechsels einer Pflanze können die relative Häufigkeit von (schwerem) Kohlenstoff-13 und (leichtem) Kohlenstoff-12 in Geweben wie ihren Blättern und Nadeln beeinflussen. Diese Veränderungen geben einen groben Anhaltspunkt für das Ausmaß des Wasserstresses, dem ein Baum während der Dürre ausgesetzt gewesen sein könnte. Dies war ein Segen für die Forscher, da die Isotopendaten der Kiefernnadeln Dürre- und Nichtdürrejahre umfassten.

Die Analyse des Nadelwachstums sowie der Kohlenstoff- und Stickstoffisotope ergab, dass der gesamte Baum von der Schwelle zwischen wasserlimitierten und energielimitierten Systemen betroffen war. Stammwachstum, Nadelwachstum, Photosynthese und Nährstoffkreislauf reagierten in entgegengesetzter Richtung auf Dürre oberhalb und unterhalb der Schwelle zwischen energie- und wasserbegrenzten Systemen.

Die Zukunft der Weißborkenkiefer ist höchst ungewiss. Die Art, die kürzlich im Gesetz über gefährdete Arten als gefährdet eingestuft wurde, ist vielen Bedrohungen ausgesetzt, darunter Krankheiten, Kiefernkäferbefall und Auswirkungen veränderter Brandschutzbestimmungen. Aus dieser Forschung geht klar hervor, dass Dürre und Erwärmung diese Bedrohungen in wasserarmen Regionen wahrscheinlich verschärfen werden, in energiearmen Umgebungen kann die Erwärmung jedoch für das Wachstum von Vorteil sein.

„Diese Forschung kann dazu beitragen, gezieltere Schutzstrategien zu entwickeln“, sagte Dudney, „um zur Wiederherstellung dieser historisch weit verbreiteten Baumart beizutragen.“ Tatsächlich umfasst das Verbreitungsgebiet der Kiefer eine vielfältige Region, die sich von Kalifornien bis British Columbia und östlich bis Wyoming erstreckt.

Die Ergebnisse haben auch weitreichendere Auswirkungen. Ungefähr 21 % der Wälder gelten als energiearm, und ein noch höherer Prozentsatz kann als wasserarm eingestuft werden. Übergänge zwischen diesen beiden Klimaregimen finden also wahrscheinlich rund um den Globus statt. Darüber hinaus scheint der Übergang Auswirkungen auf den Stickstoffkreislauf zu haben. Bäume in wasserarmen Umgebungen schienen weniger auf symbiotische Pilze für die Stickstoffversorgung angewiesen zu sein, was für das Baumwachstum in rauen, energiearmen Umgebungen von entscheidender Bedeutung ist.

„Dürren führen weltweit zu einem weit verbreiteten Baumsterben“, sagte Dudney, „was die globale Erwärmung beschleunigen kann.“

Die Entschlüsselung der vielfältigen Reaktionen von Bäumen auf Dürre wird uns helfen, besser vorherzusagen, wo Ökosysteme anfällig für den Klimawandel sind, und wie wir gezieltere Strategien zum Schutz unserer Wälder entwickeln können.