Der Wald kann sich an den Klimawandel anpassen, aber nicht schnell genug

Amerikas Wälder haben eine schwere Zeit vor sich. Der Klimawandel führt im ganzen Land zu steigenden Temperaturen und sinkendem Feuchtigkeitsgehalt – keine gewinnbringende Kombination für Bäume.

Forscher der UC Santa Barbara und der University of Utah wollten herausfinden, wie sich unsere Waldökosysteme in naher Zukunft entwickeln könnten. Die Autoren kombinierten mathematische Modelle und vom US Forest Service und Pflanzenphysiologen gesammelte Daten, um die Anfälligkeit von Wäldern für Dürre zu verstehen.

Ihre Ergebnisse deuten darauf hin, dass die meisten Wälder zwar das Potenzial haben, sich an heißere, trockenere Bedingungen anzupassen, sich aber nicht schnell genug verändern, um dem drohenden Stress zu entgehen. Die Studie, veröffentlicht in Biologie des globalen Wandelsdient als Maßstab für zukünftige Waldforschung sowie als Leitfaden für Erhaltung und Bewirtschaftung.

„Wir waren besorgt, als wir herausfanden, dass sich die Wälder nicht schnell genug veränderten, um einen erhöhten Wasserstress aufgrund des Klimawandels zu vermeiden“, sagte Erstautor Greg Quetin, ein stellvertretender Projektwissenschaftler in der Geographieabteilung der UCSB. „Aber es gibt Hoffnung, da die meisten Wälder in den kontinentalen USA über genügend funktionelle Vielfalt verfügten, um ihre Dürretoleranz durch Veränderungen in der Artenzusammensetzung zu erhöhen.“

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, wie sich Wälder an trockenere Bedingungen anpassen können. Einzelne Bäume können ihre Aktivität, Physiologie und Genexpression an die neuen Bedingungen anpassen, denen sie ausgesetzt sind. Auch dürretolerante Arten, die bereits im Ökosystem vorhanden sind, können dominanter werden. Auch die Zusammensetzung des Waldes kann sich ändern, indem widerstandsfähigere Arten einwandern, während gefährdetere Arten absterben. Die Evolution kann Arten auch durch natürliche Selektion verändern, obwohl der Effekt bei solch langlebigen Organismen im nächsten Jahrhundert vernachlässigbar sein wird.

Quetin und seine Co-Autoren untersuchten, ob die Merkmale und Arten, die bereits in den Wäldern des Landes vorhanden sind, ausreichen, um sich an den zukünftigen Klimawandel ohne Massensterben zu gewöhnen. Ein Großteil der Daten stammte aus dem Forest Inventory and Analysis-Programm, einer umfassenden Datenbank des US Forest Service über den Zustand der Wälder des Landes, die seit dem Jahr 2000 standardisiert ist.

Diese Datenbank umfasst Waldinventarflächen, die Standort, Art, Größe, Dichte und Gesundheit der Bäume sowie Baumwachstum, Sterblichkeit und Ernte dokumentieren. Quetin und seine Kollegen nutzten auch Daten aus der Xylem Functional Traits Database, in der Messungen der Baumphysiologie und hydraulischen Merkmale zusammengestellt werden, und verwiesen diese Datenbank mit dem Waldinventar.

Schließlich entwickelte das Team ein Modell, das die Reaktion eines Waldes auf erhöhten Wasserstress simuliert. Das Modell sagt Photosynthese (oder CO2-Eintritt), Atmung und Wachstum (CO2-Austritt) sowie Pflanzenstress voraus. Sie umfassten auch eine Optimierungstechnik, um zu untersuchen, wie Veränderungen der Blattfläche den durch veränderte Umweltbedingungen verursachten Stress beeinflussen können.

„Alle bisherigen Daten deuten darauf hin, dass die Blattfläche einfach der größte Hebel ist, den einzelne Bäume nutzen können, um Wasserstress zu bewältigen“, sagte Co-Autor Lee Anderegg, Assistenzprofessor in der Abteilung für Ökologie, Evolution und Meeresbiologie. Wälder in trockeneren Gebieten neigen zu spärlicheren Baumkronen, während Wälder in feuchteren Gegenden dichtes Laub bieten können.

Die Forscher fanden heraus, dass viele Wälder Amerikas die Fähigkeit haben, sich anzupassen. Das Modell ergab, dass 88 % der Wälder in den kontinentalen USA über die Fähigkeit und Artenvielfalt verfügen, sich an den Klimawandel zu gewöhnen, und dies ist auch der Anfang. Die meisten passten sich jedoch nicht so schnell an, wie das Modell vorhersagte, um erhöhten Wasserstress und die daraus resultierende Sterblichkeit zu vermeiden.

„Es ist besorgniserregend, dass wir nicht die erforderlichen Veränderungen sehen, die unser Modell vorhersagt“, sagte Co-Autorin Anna Trugman, Assistenzprofessorin am Institut für Geographie. „Aber ich denke, es gibt noch Raum für Hoffnung.“ Beispielsweise zeichnete sich die biologische Vielfalt durch ihre Fähigkeit aus, die Auswirkungen des Klimawandels auf einen bestimmten Wald abzufedern.

„Wie wir wissen, sind Bäume Langsamläufer“, fuhr Trugman fort. „Ich habe das Tempo dieser Ents in ‚Der Herr der Ringe‘ gesehen.“

„Im Moment halten sie noch den Entmoot ab“, fügte Anderegg hinzu.

Höhere Kohlendioxidkonzentrationen stellen einen verwirrenden Faktor in den Berechnungen des Teams dar. Pflanzen verlieren Wasser über dieselben Poren, die sie zur Aufnahme von Kohlendioxid nutzen. Wenn sich also mehr CO2 in der Atmosphäre befindet, können Pflanzen die Größe dieser Porenöffnungen verringern und dennoch den Kohlenstoff aufnehmen, den sie für die Photosynthese benötigen. Dies verringert die Menge an Wasser, die aus ihren Blättern austritt.

Allerdings sei die Atmosphäre in einem wärmeren Klima auch trockener, erklärte Anderegg, sodass die Blätter mehr Wasser verlieren. Es handelt sich um ein komplexes System mit vielen Unsicherheiten und kompensierenden Faktoren, dessen Entflechtung differenzierte Modelle erfordert. Und der Energieaufwand für den Transport dieses Wassers ist keineswegs unerheblich, wie die Autoren in a herausfanden vorheriges Papier.

Das Team sammelt nun eigene Daten zu Veränderungen der Baumphysiologie nach klimabedingten Bränden im Sequoia-Nationalpark und versucht empirisch zu überprüfen, inwieweit Bäume ihre Physiologie anpassen können. Die Autoren untersuchen auch, ob Bäume künftigen Wasserstress vollständig durch Veränderungen ihrer Blattfläche vermeiden können und ob die Maximierung der Kohlenstoffaufnahme oder die Stressvermeidung eher einschränkend ist.

Wälder beginnen sich bereits zu verändern. Mit zunehmender Trockenheit der Atmosphäre wird es häufiger zu spärlicheren Baumkronen kommen. Wälder werden wahrscheinlich auch eine andere Artenmischung aufweisen als in der Vergangenheit. Diese Faktoren wirken sich alle auch auf die Kohlenstoffspeicherung in Wäldern aus. Wälder speichern derzeit etwa 30 % der anthropogenen Emissionen, aber die Gruppe stellte kürzlich fest, dass dieser Wert durch den Klimawandel wahrscheinlich sinken würde.

Bewirtschaftungsstrategien, die die Anpassung der Wälder fördern, werden von entscheidender Bedeutung sein. „Wir müssen diese Wälder nicht als statische Dinge betrachten – die so existieren müssen, wie sie jetzt sind –, sondern als gesunde Dinge, die sich verändern müssen, um mit dem Klima Schritt zu halten“, sagte Anderegg. Die Erleichterung eines schrittweisen Wandels wird dazu beitragen, abrupte, katastrophale Veränderungen wie Waldbrände und Artensterben zu verhindern, die sich nachteilig auf die Wälder, die Tierwelt und die in der Nähe lebenden Menschen auswirken.

Ressourcenmanager könnten damit beginnen, Gebiete mit dürretoleranteren Arten zu bepflanzen und vorgeschriebene Abholzungen durchzuführen, um gesunde Wälder zu fördern. Aber vor allem müssen wir den Klimawandel eindämmen, sagten die Autoren.

Unsere Zukunft hängt von der Emissionsentwicklung der Gesellschaft ab. Die Anpassung an den Klimawandel sei nicht einfacher als der Klimaschutz, stellte Quetin fest. Und weniger Klimawandel bedeutet, dass weniger Anpassungen erforderlich sind.