Die Studie zeigt Kompromisse zwischen der Widerstandsfähigkeit des Ökosystems und der Widerstandsfähigkeit gegenüber tropischen Wirbelstürmen auf

In einer neuen Studie zu den ökologischen Auswirkungen von Wirbelstürmen widmet sich ein internationales Forscherteam einer Frage, die sich Menschen seit Jahrhunderten stellen: Ist es besser, angesichts eines Sturms widerstandsfähig wie eine Eiche oder widerstandsfähig wie eine Weide zu sein?

Die Ergebnisse des Teams, berichtet in der Ausgabe vom 2. März Wissenschaftliche Fortschritte, kann Managern bei der Planung des Klimawandels und einer wachsenden Küstenbevölkerung helfen, die durch tropische Stürme bedroht wird, die intensiver sind und sich weiter in gemäßigte Breiten ausbreiten. Die Ergebnisse bieten auch einen Rahmen für Managemententscheidungen im Zusammenhang mit anderen Störungen wie Nährstoffverschmutzung oder Waldbränden.

Der Hauptautor der Studie, Dr. Christopher Patrick vom Virginia Institute of Marine Science von William & Mary, sagt: „Wir haben festgestellt, dass Küstenökosysteme konsistente Kompromisse zwischen Widerstandsfähigkeit und Widerstandsfähigkeit gegenüber tropischen Wirbelstürmen aufweisen. Unsere Ergebnisse unterstreichen, dass das Management für eine erhöhte Widerstandsfähigkeit zu einer verringerten Widerstandsfähigkeit führen kann , und umgekehrt. Dieses Wissen ist der Schlüssel für die Entscheidungsfindung an Küsten, insbesondere da der Klimawandel das Risikoprofil mit stärkeren und häufigeren Stürmen in den mittleren Breiten verändert.“

Patrick illustriert diese Management-Kompromisse mit einem Beispiel aus seiner Rolle als Direktor des Seagrass Monitoring and Restoration Program bei VIMS. „In der Chesapeake Bay“, sagt er, „ist Seegras im Laufe der Zeit stabiler als Pfeifengras, braucht aber länger, um sich von Störungen wie Hurrikanen zu erholen. Dieser Kompromiss, der auch für das Absterben aufgrund von Wasserqualität oder Hitze gelten würde Stress, ist eine wichtige Überlegung für Küstenmanager bei der Auswahl der Seegrasarten, die wiederhergestellt werden sollen.“

Das Forschungsteam besteht aus 23 Wissenschaftlern aus 11 Staaten, Puerto Rico und Taiwan. Ihre Studie ist mit einem von der National Science Foundation finanzierten Forschungskoordinierungsnetzwerk verbunden, um Wissen über Ökosystemreaktionen auf Hurrikane zu synthetisieren. Neben Patrick als Co-Autoren und Mitglieder des Leitungsteams des Netzwerks sind Dr. John Kominoski von der Florida International University, Bill McDowell von der University of New Hampshire und Beth Stauffer von der University of Louisiana in Lafayette.

Ein wiederholtes Muster von Kompromissen zwischen Widerstand und Belastbarkeit

Alles in allem nutzten die Forscher Erhebungen zur Überwachung vor und nach dem Sturm, um Muster des Widerstands und der Widerstandsfähigkeit von Ökosystemen gegenüber 26 Stürmen auf der Nordhalbkugel zu analysieren. Diese landeten zwischen 1985 und 2018 in Bundesstaaten von Texas bis North Carolina sowie in Puerto Rico und Taiwan.

Die Forscher bewerteten die Sturmeigenschaften und -auswirkungen anhand der Gesamtniederschlagsmenge, der maximalen Niederschlagsmenge und der Windgeschwindigkeit; gruppierten dann ihre Untersuchungsgebiete in vier Ökosysteme (Süßwasser, Salzwasser, Feuchtgebiet und Land) und fünf „Reaktionskategorien“ für insgesamt 4.138 Zeitreihen. Die Reaktionskategorien dokumentierten Veränderungen nach dem Sturm nicht nur in der Verteilung und Häufigkeit von Lebewesen – Populationen mobiler Tiere wie Fische, sesshafte Tiere wie Austern und Gefäßpflanzen wie Mangroven – sondern auch in der Biogeochemie des Ökosystems (z. B. Salzgehalt, Stickstoff) und Hydrographie (z. B. Tiefe und Lage der Küstenlinie).

„Unsere Studie hat ein wiederholtes Muster von Kompromissen zwischen Widerstand und Belastbarkeit in allen Kategorien gezeigt“, sagt Patrick. Die Autoren stellen fest, dass diese Muster wahrscheinlich das Ergebnis evolutionärer Anpassung sind und den Theorien über ökologische Störungen entsprechen, was darauf hindeutet, dass konsistente Regeln die Anfälligkeit von Ökosystemen für tropische Wirbelstürme bestimmen.

Als ein Beispiel nennen die Forscher das Schicksal der jamaikanischen Wälder nach dem Hurrikan Gilbert. Als dieser heftige Sturm der Kategorie 5 1988 die Insel überquerte, verwüstete er kräftige, normalerweise resistente Arten wie den jamaikanischen Baumfarn und erlaubte Myrten und anderen krautigen, strauchigen Arten, jetzt offene Lücken im Blätterdach zu besiedeln.

In einem anderen Beispiel, als der Hurrikan Harvey 2017 Texas traf, schnitt die Erosion dieses Sturms der Kategorie 4 tiefe Kanäle in die lokalen Küstenfeuchtgebiete und begünstigte die Erholung durch das größere Salzwiesen-Schnurgras gegenüber kürzeren Sumpfarten, während Feuchtgebiete, die von Mangroven dominiert werden, weniger Erosion ausgesetzt waren als Sümpfe.

Hurrikan Harvey verringerte auch die Biomasse des Küstenphytoplanktons in den Gewässern vor der texanischen Küste und verschob die dominierenden Gruppen. Solche Veränderungen in der Gemeinschaftsstruktur mikroskopisch kleiner Organismen – der Grundlage aquatischer Nahrungsnetze – können sich darauf auswirken, wie viel Energie für größere Organismen verfügbar ist, die in der Region ökologisch und ökonomisch wichtig sind.

Wissen, um effektive Strategien zu leiten

Die Ergebnisse des Teams deuten darauf hin, dass Manager, die sowohl die Resistenz als auch die Widerstandsfähigkeit in Küstenökosystemen verbessern möchten, möglicherweise vor einer unmöglichen Aufgabe stehen. Andererseits bieten ihre Erkenntnisse wertvolle Hinweise für die Auswahl der effektivsten Managementstrategie für einen bestimmten Standort.

„Wenn Sie Widerstand und Resilienz nicht gleichzeitig bewältigen können“, fragt Patrick, „worauf sollten Sie sich konzentrieren? Die Antwort hängt sowohl von den spezifischen Projektzielen als auch von der erwarteten Intensität und Häufigkeit von Störereignissen ab.“

Unter einem relativ statischen, vorhersehbaren Klima wäre Widerstand im Allgemeinen die bessere Wiederherstellungsstrategie in Gebieten mit seltenen Störungen. „In diesem Szenario“, sagt Patrick, „wählen Manager idealerweise den Widerstand als Hauptmerkmal ihrer Wiederherstellungsstrategie aus, damit die Funktion, an der Sie interessiert sind – Küstenerosion verlangsamen, Wasserqualität erhalten – nicht ins Wanken gerät, wenn es klopft durch eine große Störung.“ Manager könnten sich zum Beispiel dafür entscheiden, Mangroven anstelle von Sumpfgräsern zu pflanzen, um sich vor Küstenerosion zu schützen, da Mangroven widerstandsfähiger gegen große Sturmwellen sind.

Wenn und wo sich die Bedingungen ändern, kann sich Resilienz jedoch als bessere Option herausstellen. Patrick sagt: „Wenn die Störungen schwerwiegender, häufiger oder beides sein werden – die potenzielle Resistenz einer bestimmten Art übertreffen – könnten sich Manager auf die Widerstandsfähigkeit konzentrieren, damit die Erholungszeit nach Störungen schnell ist.“

„Wenn es 25 Jahre dauert, bis eine Baumart groß genug geworden ist, um einem durchschnittlichen Hurrikan zu widerstehen, aber Hurrikane jetzt alle 20 Jahre ein Gebiet treffen, ist es wahrscheinlich eine Zeitverschwendung, zu versuchen, es zu kultivieren“, fügt er hinzu. „Die beste Wiederherstellungsstrategie hängt von der Häufigkeit und Intensität von Störereignissen jetzt und in der Zukunft ab.“

Zukünftige Richtungen

Als eine der ersten umfassenden Studien zu den ökologischen Auswirkungen tropischer Wirbelstürme wirft die Analyse des Teams ebenso viele Fragen auf wie sie beantwortet und weist auf mehrere wichtige Bereiche für die zukünftige Forschung der Gruppe hin, die offiziell als Hurricane Ecosystem Response Synthesis Network bekannt ist IHRES.

Zukünftige Forschungsbereiche – geleitet von einem HERS-Lenkungsausschuss – umfassen Studien darüber, wie Artenmerkmale wie Fortpflanzungspotenzial, Ausbreitungsmodus und -entfernung sowie physiologische Toleranz Muster von Resistenz und Resilienz auf Populationsebene erklären könnten; oder wie die langfristige oder jüngste Umweltgeschichte eines Ökosystems seine Reaktion auf nachfolgende Störungen beeinflussen könnte. Wissenschaftler glauben zum Beispiel, dass der Hurrikan Agnes im Jahr 1972 die Seegräser in der Chesapeake Bay besonders stark beeinträchtigte, weil er im Juni eintraf, bevor die meisten Arten ausgesät waren. Mit besserer Kenntnis früherer Bedingungen könnten Manager die wahrscheinliche Empfindlichkeit eines Ökosystems gegenüber einer prognostizierten Störung besser einschätzen.

Ein weiterer Schlüsselbereich für die zukünftige HERS-Forschung ist die Bestimmung der Stabilität hoch entwickelter Küstenökosysteme angesichts tropischer Wirbelstürme. Patrick sagt: „Zukünftige Studien werden unsere Fähigkeit verbessern zu verstehen, wie lokale menschliche Stressoren wie Nährstoffverschmutzung mit globalen Stressoren wie dem Klimawandel interagieren können, um ein bestimmtes Ökosystem oder einen bestimmten Ort zu beeinflussen, und so dazu beitragen, die Bemühungen zur Verbesserung der Widerstandsfähigkeit oder Widerstandsfähigkeit der Küsten zu zielen.“