Selbst eine relativ geringe Klimaerwärmung und die damit verbundenen Niederschlagsverschiebungen können die nördlichsten Wälder der Erde dramatisch verändern, die eines der größten nahezu intakten bewaldeten Ökosysteme des Planeten darstellen und einen großen Teil des terrestrischen Kohlenstoffs des Planeten beherbergen.
Das ist das wichtigste Ergebnis eines einzigartigen fünfjährigen Experiments unter der Leitung eines Ökologen der University of Michigan, bei dem Infrarotlampen und Bodenheizkabel verwendet wurden, um die prognostizierten Auswirkungen des kurzfristigen Klimawandels auf Tausende von Setzlingen von neun weit entfernten Baumarten zu untersuchen nördliche Wälder, die als boreale Wälder bekannt sind.
Die borealen Wälder Nordamerikas enthalten hauptsächlich Nadelbäume wie Fichte, Tanne und Kiefer. Sie kommen hauptsächlich in Kanada und Alaska vor, kommen aber auch in Teilen des nordöstlichen Minnesota, einem winzigen Teil der oberen Halbinsel von Michigan und im Norden von Maine vor. Die borealen Wälder werden im Norden von Tundra und im Süden von gemäßigten Wäldern begrenzt.
In dem Experiment wurden junge Bäume an zwei Waldstandorten der University of Minnesota im Nordosten von Minnesota vom frühen Frühling bis zum späten Herbst rund um die Uhr im Freien ohne Verwendung von Gewächshäusern oder Wachstumskammern erwärmt. Es wurden zwei Niveaus der potenziellen Klimaerwärmung des 21. Jahrhunderts verwendet: etwa 1,6 Grad Celsius (etwa 2,9 Grad Fahrenheit) und etwa 3,1 Grad Celsius (etwa 5,6 Grad Fahrenheit) über der Umgebungstemperatur.
Darüber hinaus wurden vor einigen Stürmen bewegliche Planen über der Hälfte der Parzellen positioniert, um Regenwasser aufzufangen und Niederschlagsverschiebungen unter einem sich ändernden Klima nachzuahmen. Als Kontrolle wurden einige der Bäume bei Umgebungstemperaturen und Feuchtigkeitsniveaus gezüchtet.
Die Studie ergab, dass selbst eine bescheidene (1,6 °C) Klimaerwärmung für viele Arten zu großen Problemen führte, darunter ein verringertes Wachstum und eine erhöhte Sterblichkeit. Darüber hinaus verstärkten reduzierte Niederschläge die negativen Auswirkungen der Erwärmung auf das Überleben mehrerer borealer Arten.
„Unsere Ergebnisse bedeuten Probleme für die Gesundheit und Vielfalt zukünftiger regionaler Wälder“, sagte der UM-Waldökologe Peter Reich, Hauptautor der Studie, die am 10. August in der Zeitschrift veröffentlicht werden soll Natur.
„Der heutige südliche boreale Wald könnte selbst bei einer bescheidenen Klimaerwärmung einen Wendepunkt erreichen, was zu einer großen Verschiebung der Zusammensetzung mit potenziell nachteiligen Auswirkungen auf die Gesundheit und Vielfalt der regionalen Wälder führen würde“, sagte Reich, Direktor des Institute for Global Change Biology at der School for Environment and Sustainability der University of Michigan.
„Diese Auswirkungen könnten die Kapazität unserer Wälder verringern, Holz zu produzieren, andere pflanzliche, mikrobielle und tierische Vielfalt zu beherbergen, Überschwemmungen zu dämpfen und – was vielleicht am wichtigsten ist – Kohlenstoff aus der Luft zu schrubben und in Holz und Boden zu halten .“
Laut Wissenschaftlern werden Pflanzen in mittleren bis hohen Breiten wahrscheinlich sowohl positive als auch negative Auswirkungen des Klimawandels im 21. Jahrhundert erfahren. An einigen Orten – insbesondere im hohen Norden – kann eine längere Vegetationsperiode das Baumwachstum fördern, wenn Feuchtigkeit reichlich vorhanden ist.
An anderen Standorten könnten wärmere und trockenere Bedingungen zu einem Rückgang des Baumwachstums und des Überlebens führen. Beobachtungsstudien zeigen, dass es bereits sowohl positive als auch negative Trends beim Überleben und Wachstum borealer Wälder gibt.
Direkte experimentelle Tests der Auswirkungen der Klimaerwärmung auf boreale Wälder bei einer Reihe von Bodenfeuchtigkeitsbedingungen sind jedoch selten und im Allgemeinen in Größe, Umfang und Dauer begrenzt, so die Autoren der neuen Studie.
Der Nature-Bericht schließt viele dieser Wissenslücken. Die Studie nutzte die gemeinsame Manipulation von Temperatur und Niederschlag, um die wahrscheinlichen Auswirkungen des kurzfristigen Klimawandels auf die Sterblichkeit und das Wachstum junger Bäume an den beiden Standorten zu untersuchen.
„In dem Experiment setzen wir Waldparzellen Temperaturen aus, die wir in den nächsten 40, 50 oder 60 Jahren nicht sehen werden, um zu verstehen, was diese entgegenkommenden Temperaturen bewirken werden“, sagte Reich.
Die Forscher fanden heraus, dass die Erwärmung allein oder in Kombination mit reduzierten Niederschlägen die Jungtiersterblichkeit aller neun Baumarten erhöhte und das Wachstum mehrerer nördlicher Nadelbaumarten – Balsamtanne, Weißfichte und Weißkiefer –, die in borealen Wäldern verbreitet sind, stark reduzierte.
Gleichzeitig förderte eine moderate Erwärmung das Wachstum einiger Laubhölzer, darunter einige Eichen und Ahorne, die in den borealen Wäldern selten sind, in den gemäßigten Wäldern im Süden jedoch viel häufiger vorkommen.
Die neue Studie kommt jedoch zu dem Schluss, dass Harthölzer in den südlichen borealen Wäldern wahrscheinlich zu selten sind, um die Lücke, die durch verschwindende Nadelbäume hinterlassen wurde, schnell zu füllen. Daher wird der prognostizierte kurzfristige Klimawandel den heutigen borealen Wald wahrscheinlich in einen „neuen Zustand“ mit veränderter Zusammensetzung versetzen.
„Dieser neue Staat ist bestenfalls eine verarmtere Version unseres derzeitigen Waldes“, sagte Reich. „Schlimmstenfalls könnte es große Mengen an invasiven Gehölzen enthalten, die an der gemäßigt-borealen Grenze bereits weit verbreitet sind und sich schnell nach Norden bewegen.“
Das Experiment wurde an zwei Feldstationen der University of Minnesota durchgeführt. Reich, der 2021 der UM-Fakultät beigetreten ist, unterhält eine gemeinsame Zugehörigkeit in Minnesota und arbeitet weiterhin am Walderwärmungsprojekt mit.
Für das Experiment wurden mehr als 4.500 Setzlinge von neun einheimischen Baumarten – fünf Laub- und vier Nadelblattarten – in die bestehende Kräuter-, Strauch- und Farnvegetation an den Studienstandorten gepflanzt. Die neun Baumarten sind Balsamtanne, Weißfichte, Jack-Kiefer, Weißkiefer, Rotahorn, Zuckerahorn, Papierbirke, Bur-Eiche und Roteiche.
Die beweglichen Planen führten im Laufe der Vegetationsperiode zu einer um etwa 30 % geringeren Niederschlagsmenge auf zufällig ausgewählten Parzellen. Da die Niederschläge in den fünf Jahren des Experiments höher als der Durchschnitt waren, repräsentierte die Behandlung mit wenig Niederschlag tatsächlich durchschnittliche trockene Jahre im vergangenen Jahrhundert, und die Kontrollbehandlungen repräsentierten typischerweise nasse Jahre im gleichen Zeitraum. Daher waren die Behandlungen mit geringem Niederschlag keineswegs extrem.
Die anderen Autoren der Natur sind Raimundo Bermudez, Rebecca Montgomery, Karen Rice, Sarah Hobbie und Artur Stefanski von der University of Minnesota sowie Roy Rich vom Smithsonian Environmental Research Center.
Peter Reich, Selbst ein bescheidener Klimawandel kann zu großen Veränderungen für boreale Wälder führen, Natur (2022). DOI: 10.1038/s41586-022-05076-3. www.nature.com/articles/s41586-022-05076-3