Was wir noch darüber lernen, wie Bäume wachsen

Was wird mit den Wäldern der Welt in einer sich erwärmenden Welt passieren? Hilft erhöhtes atmosphärisches Kohlendioxid den Bäumen beim Wachsen? Oder werden extreme Temperaturen und Niederschläge das Wachstum hemmen? Das hängt alles davon ab, ob das Baumwachstum eher durch die Menge an Photosynthese oder durch die Umweltbedingungen, die das Zellwachstum der Bäume beeinflussen, begrenzt wird – eine grundlegende Frage in der Baumbiologie, deren Antwort bisher nicht gut verstanden wurde.

Eine von Forschern der University of Utah mit einem internationalen Team von Mitarbeitern geleitete Studie stellt fest, dass das Baumwachstum im Allgemeinen nicht durch Photosynthese, sondern eher durch Zellwachstum begrenzt zu sein scheint. Dies deutet darauf hin, dass wir die Art und Weise überdenken müssen, wie wir das Waldwachstum in einem sich ändernden Klima prognostizieren, und dass die Wälder der Zukunft möglicherweise nicht so viel Kohlenstoff aus der Atmosphäre aufnehmen können, wie wir dachten.

„Ein wachsender Baum ist wie ein Pferd-und-Karren-System, das sich die Straße hinunterbewegt“, sagt William Anderegg, außerordentlicher Professor an der School of Biological Sciences der U.S.A. und Hauptforscher der Studie. „Aber wir wissen im Grunde nicht, ob die Photosynthese am häufigsten vom Pferd stammt oder ob es die Zellausdehnung und -teilung ist. Dies war eine lange und schwierige Frage auf diesem Gebiet. Und sie ist immens wichtig, um zu verstehen, wie Bäume auf den Klimawandel reagieren werden.“

Die Studie ist erschienen in Wissenschaft.

Quelle vs. Senke

Wir haben die Grundlagen in der Grundschule gelernt – Bäume produzieren ihre eigene Nahrung durch Photosynthese, indem sie Sonnenlicht, Kohlendioxid und Wasser aufnehmen und daraus Blätter und Holz machen.

Die Geschichte hat jedoch noch mehr zu bieten. Um aus der Photosynthese gewonnenen Kohlenstoff in Holz umzuwandeln, müssen sich Holzzellen ausdehnen und teilen.

Bäume gewinnen also durch Photosynthese Kohlenstoff aus der Atmosphäre. Das ist der Kohlenstoff der Bäume Quelle. Dann verbrauchen sie diesen Kohlenstoff, um neue Holzzellen zu bauen – den Kohlenstoff des Baums Waschbecken.

Wenn das Wachstum der Bäume quellenbegrenzt ist, dann ist es nur dadurch begrenzt, wie viel Photosynthese der Baum durchführen kann, und das Baumwachstum wäre in einem mathematischen Modell relativ einfach vorherzusagen. Das steigende Kohlendioxid in der Atmosphäre sollte also diese Begrenzung lockern und Bäume mehr wachsen lassen, richtig?

Aber wenn das Wachstum der Bäume stattdessen sinken-limitiert ist, dann kann der Baum nur so schnell wachsen, wie sich seine Zellen teilen können. Viele Faktoren können sowohl die Photosynthese als auch die Zellwachstumsrate direkt beeinflussen, einschließlich der Temperatur und der Verfügbarkeit von Wasser oder Nährstoffen. Wenn also Bäume sinken-limitiert sind, muss die Simulation ihres Wachstums die sinkende Reaktion auf diese Faktoren beinhalten.

Die Forscher testeten diese Frage, indem sie die Quell- und Senkraten der Bäume an Standorten in Nordamerika, Europa, Japan und Australien verglichen. Die Messung der Kohlenstoffsenkenraten war relativ einfach – die Forscher sammelten einfach Proben von Bäumen, die Aufzeichnungen über das Wachstum enthielten. „Durch das Extrahieren von Holzkernen aus Baumstämmen und das Messen der Breite jedes Rings an diesen Kernen können wir im Wesentlichen das vergangene Baumwachstum rekonstruieren“, sagt Antoine Cabon, Postdoktorand an der School of Biological Sciences und Hauptautor der Studie.

Die Messung von Kohlenstoffquellen ist schwieriger, aber machbar. Quelldaten wurden mit 78 Eddy-Kovarianz-Türmen gemessen, 30 Fuß hoch oder mehr, die Kohlendioxidkonzentrationen und Windgeschwindigkeiten in drei Dimensionen an der Spitze von Waldkronen messen, sagt Cabon. „Anhand dieser Messungen und einiger anderer Berechnungen“, sagt er, „können wir die gesamte Waldphotosynthese eines Waldbestandes abschätzen.“

Entkoppelt

Die Forscher analysierten die gesammelten Daten und suchten nach Beweisen dafür, dass Baumwachstum und Photosynthese Prozesse sind, die miteinander verbunden oder gekoppelt sind. Sie haben es nicht gefunden. Wenn die Photosynthese zunahm oder abnahm, gab es keine parallele Zunahme oder Abnahme des Baumwachstums.

„Eine starke Kopplung zwischen Photosynthese und Baumwachstum wäre in dem Fall zu erwarten, in dem das Baumwachstum quellenbegrenzt ist“, sagt Cabon. „Die Tatsache, dass wir meistens eine Entkopplung beobachten, ist unser Hauptargument für den Schluss, dass das Baumwachstum nicht quellenbegrenzt ist.“

Überraschenderweise wurde die Entkopplung in Umgebungen auf der ganzen Welt beobachtet. Cabon sagt, sie hätten an einigen Stellen mit einer gewissen Entkopplung gerechnet, aber „wir haben nicht erwartet, ein so weit verbreitetes Muster zu sehen“.

Die Stärke der Kopplung oder Entkopplung zwischen zwei Prozessen kann auf einem Spektrum liegen, daher interessierte die Forscher, welche Bedingungen zu einer stärkeren oder schwächeren Entkopplung führten. Fruchttragende und blühende Bäume zeigten beispielsweise andere Quelle-Senke-Beziehungen als Nadelbäume. Mehr Diversität in einem Wald erhöht die Kopplung. Dichte, bedeckte Blätterdächer verringerten ihn.

Schließlich nahm die Kopplung zwischen Photosynthese und Wachstum unter warmen und nassen Bedingungen zu, wobei auch das Gegenteil zutrifft: dass Bäume unter kalten und trockenen Bedingungen stärker durch das Zellwachstum eingeschränkt sind.

Cabon sagt, dass dieser letzte Befund darauf hindeutet, dass das Problem Quelle vs. Senke von der Umgebung und dem Klima des Baumes abhängt. „Das bedeutet, dass der Klimawandel die Verteilung der Quellen- und Senkenbeschränkungen der Wälder der Welt neu gestalten kann“, sagt er.

Eine neue Art, nach vorne zu schauen

Die wichtigste Erkenntnis ist, dass Vegetationsmodelle, die mathematische Gleichungen und Pflanzeneigenschaften verwenden, um das zukünftige Waldwachstum abzuschätzen, möglicherweise aktualisiert werden müssen. „Praktisch alle diese Modelle gehen davon aus, dass das Baumwachstum quellenbegrenzt ist“, sagt Cabon.

Zum Beispiel sagen aktuelle Vegetationsmodelle voraus, dass Wälder mit einem höheren atmosphärischen Kohlendioxid gedeihen werden. „Die Tatsache, dass das Baumwachstum oft durch das Absinken begrenzt ist, bedeutet, dass dies für viele Wälder möglicherweise nicht wirklich geschieht.“

Das hat weitere Auswirkungen: Wälder absorbieren und speichern derzeit etwa ein Viertel unserer derzeitigen Kohlendioxidemissionen. Wenn sich das Waldwachstum verlangsamt, verlangsamt sich auch die Fähigkeit der Wälder, Kohlenstoff aufzunehmen, und ihre Fähigkeit, den Klimawandel zu verlangsamen.