Wie Pflanzen auf den globalen Wandel reagieren

Pflanzen spielen im System Erde eine zentrale Rolle. Ihre Fähigkeit, Wasser an die Atmosphäre abzugeben oder CO₂ aus der Atmosphäre aufzunehmen und in organische Verbindungen einzubauen, hat einen grossen Einfluss auf das Klima der Erde und dadurch auf die Umwelt, in der der Mensch lebt. Pflanzen bilden aber auch die Nahrungsgrundlage für Millionen anderer Organismen, inklusive des Menschen, der ohne Pflanzen nicht existieren könnte. Wie reagieren aber Pflanzen auf den globalen Wandel und welche Konsequenzen haben die Reaktionen der Pflanzen auf den globalen Wandel für das Wohlergehen des Menschen? Ansgar Kahmen geht diesen Fragen in seiner Forschung nach.

Walddach-Projekt simuliert Klimawandel

Um die Auswirkungen globaler Veränderungen wie Klimawandel oder steigende CO₂-Konzentrationen auf die Vegetation zu verstehen, verfolgt Kahmen verschiedene Ansätze. Einerseits erforscht er mit seinem Team die Auswirkungen von sich ändernden Umweltparametern durch Experimente an Pflanzen und Ökosystemen. Exemplarisch für diesen Ansatz steht das grosse Waldexperiment in Hölstein BL. Auf einer Fläche von 1.6 ha untersucht Kahmen mit seinem Team, wie sich Veränderungen in den Niederschlägen und dadurch die bedingte Trockenheit im Sommer auf den Schweizer Wald auswirken.
Hierfür hat das Team von Kahmen bis zu 180 Bäume mit Sensoren ausgestattet, die kontinuierlich Daten liefern. Gemessen werden Bodenfeuchte, Wasserversorgung und Dickenzuwachs der Bäume, das Schwellen und Schrumpfen der Stämme im Tag- und Nachtrhythmus und die Intensität der auftreffenden Strahlung. Eine wichtige Komponente des Experiments ist ein 50 m hoher Kran, der mitten im Wald steht und die Forscher für ihre Untersuchungen in einer Gondel in die Kronen der Bäume bringt. Nach einer mehrjährigen Testphase beginnt 2023 nun das eigentliche Experiment. Auf über 3000 m² wurden unter den Kronen der Bäume Dachkonstruktionen installiert, die das Niederschlagswasser über dem Waldboden etwa zur Hälfte abhalten sollen.

Kahmen interessiert an diesem Experiment insbesondere, wie die verschiedenen Schweizer Baumarten auf Trockenheit reagieren, welche Arten besonders resistent sind und warum sich Arten in ihrer Resistenz unterscheiden. «Dies sind zentrale Fragen, die wir beantworten müssen, um den Wald der Zukunft mit all seinen für den Menschen wichtigen Eigenschaften jetzt planen zu können. Eine weitere wichtige Frage ist natürlich die Anpassungsfähigkeit der Bäume», so Kahmen.
Bekannt ist bereits, dass viele Arten eine kurzfristige Wasserknappheit auffangen, indem sie die Spaltöffnungen in den Blättern schliessen, sodass daraus kein Wasser mehr verdunstet. Denkbar ist auch, dass sie in den Folgejahren weniger Blattwerk ausbilden, damit die Oberfläche, über die Wasser verdunsten kann, kleiner wird – so wie das manche Buchen seit dem Hitzesommer 2018 machen. «Wir wissen aber noch nicht, ob und in welchem Ausmass sich Bäume an eine veränderte Umwelt anpassen können. Die Antwort auf diese Frage ist zentral, um die Reaktion des Waldes auf den Klimawandel verstehen zu können.» Da für das Experiment im Hölsteiner Wald eine Laufzeit von 20 Jahren geplant ist, bietet sich Kahmen die einmalige Gelegenheit, diese Frage experimentell zu beantworten.

Weltweites Monitoring

Kahmen ist mit seiner Forschung mit Kolleg*innen in der Schweiz und auf der ganzen Welt vernetzt. «Die Frage, wie Wälder als der global wichtigste Kohlenstoffspeicher und als Lebensraum vieler anderer Organismen auf den Klimawandel reagieren, interessiert nicht nur uns», so Kahmen. Weltweit gibt es aber wenig vergleichbare Experimente wie das in Hölstein. «Was uns fehlt, um die Auswirkungen des Klimawandels auf Bäume und Wälder zu verstehen, sind langfristig angelegte Experimente in bestehenden Wäldern mit ausgewachsenen Bäumen». Dies ist allerdings nicht einfach, denn Bäume sind gross und haben eine lange Lebensdauer. Daher sind experimentelle Manipulationen von Wäldern äusserst komplex. Mit Unterstützung von Monitoring-Netzwerken kann aber die Reaktion von Bäumen oder Ökosystemen auf natürlich auftretende Variabilität in der Temperatur oder im Wasserangebot dokumentiert werden. So liefert Kahmen von seinem Forschungsstandort in Hölstein wichtige Daten an nationale und internationale Datennetzwerke. Am Standort in Hölstein werden an über 80 Bäumen automatisiert der Wassserbedarf der Bäume und das Stammwachstum mit sogenannten Dendrometern gemessen. Diese Daten speist Kahmen mit seinem Team in eine internationale Datenbank ein. Die Analyse der grossflächigen Datensätze erlaubt festzustellen, welche Arten an welchen Standorten besonders sensitiv oder besonders robust auf natürlich auftretende Trockenheit reagieren. Solche Analysen sind essentiell. «Durch den internationalen Austausch können wir ein global differenziertes Bild erzeugen, welches die Reaktion verschiedener Waldtypen auf den Klimawandel gut abbildet» betont Kahmen. Nur so lassen sich Modelle generieren, die die globalen Auswirkungen des Klimawandels vorhersagen und die daraus resultierenden Konsequenzen für den Menschen ableiten können.

Auch die Vergangenheit liefert Erkenntnisse

Experimentelle Manipulationen von Pflanzen oder ganzen Ökosystemen sind nicht der einzige Ansatz, den Kahmen verfolgt, um die Reaktion von Pflanzen auf den globalen Wandel zu untersuchen. «Experimente in bestehenden Ökosystemen wie im Hölsteiner Wald sind logistisch sehr aufwendig und daher nicht beliebig durchführbar. Zudem finden Experimente immer unter künstlichen Bedingungen statt und ihre Ergebnisse müssen in der Natur überprüft werden.» Aus diesem Grund wagt Kahmen mit seinem Team auch einen Blick zurück in die Vergangenheit. Er untersucht Pflanzen aus historischen Sammlungen und vergleicht diese mit modernen Proben. So kann Kahmen feststellen, ob Pflanzen in der heutigen Umwelt anders funktionieren als Pflanzen, die vor 100 oder 200 Jahren gelebt haben. Wichtige Quellen für solche historischen Proben sind die Herbarien Basel. Diese Sammlungen beinhalten mehr als 700’000 getrocknete Pflanzen, die im Lauf der letzten 400 Jahre gesammelt wurden. Begründer des Herbariums, das zu den ältesten kontinuierlichen botanischen Sammlungen weltweit gehört, war Caspar Bauhin (1560-1624), erster Professor für Botanik an der Universität Basel.
Kahmen und sein Team untersuchen diese Pflanzen mit modernsten Methoden, unter anderem analysieren sie die Kohlen- und Sauerstoffisotopenzusammensetzung der Proben. Anhand dieser Daten können sie zum Beispiel beurteilen, ob sich der Wasserverbrauch der Pflanzen in den letzten Jahrhunderten verändert hat. «Pflanzen verdunsten bei der CO₂ Aufnahme erhebliche Mengen an Wasser und beeinflussen dadurch massgeblich die Hydrologie von Ökosystemen», so Kahmen. «Es gibt Hinweise, dass durch die erhöhten CO₂-Konzentrationen in der Atmosphäre der Wasserverbrauch der Pflanzen zurückgeht.» Ob dies tatsächlich der Fall ist und was dies für den Menschen bedeutet, will Kahmen in den kommenden Jahren mit seiner Forschung klären.