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Der Geheimcode der Ökosysteme

16.09.2014 - (idw) Max-Planck-Institut für Biogeochemie

Der Blick auf konkrete Merkmale von Pflanzen soll helfen, den Einfluss des Klimas auf die globale Vegetation besser zu verstehen

Der Klimawandel wird die Welt vermutlich sehr verändern auch die Pflanzenwelt. Nur wie? Das können derzeit weder Klimaforscher noch Biologen einigermaßen gut abschätzen. Mit zwei aktuellen Arbeiten tragen Forscher des Max-Planck-Instituts für Biogeochemie in Jena und der Universität Leipzig dazu bei, das zu ändern. Dabei rücken sie erstmals konkrete Merkmale von Pflanzen in den Blickpunkt: etwa die Masse der einzelnen Samen, die Dichte des Holzes oder die Höhe, die ein Gewächs erreicht. Bisher konzentrierten sich Biologen und Biogeografen auf die klimaabhängige Verbreitung von Arten und Pflanzentypen einerseits und die Funktionen von Ökosystemen andererseits. Wie genau die Vegetation etwa durch Anpassungen auf Klimaveränderungen reagiert, blieb bisher ungeklärt. Der Blick auf die Eigenschaften von Pflanzen soll nun helfen diese Frage zu beantworten. So definierte eines der beiden Autoren-Teams abhängig von konkreten Merkmalen klimatische Grenzen, innerhalb derer sich nordamerikanische Bäume verbreiten können.

Für die Ernährung der Menschen können die Folgen des Klimawandels einschneidend sein: Ändern sich in einer Region die Lebensbedingungen für Pflanzen, könnte es dort mit der Landwirtschaft im schlimmsten Fall vorbei sein. Zumindest anpassen muss die Branche sich. Doch das ist nicht alles. Die Vegetation und die damit verknüpften Bodeneigenschaften sind mit dem Klima stark gekoppelt: Wenn die Erderwärmung manchen Pflanzen zusetzt, dürfte das Spuren in vielen Ökosystemen hinterlassen und diese vielleicht sogar völlig umkrempeln. Damit verändern sich auch die Funktionen von Ökosystemen, wozu etwa deren Kohlendioxid- und Wasserhaushalt zählt. Wenn sich also künftig vielleicht Savannen ausbreiten, wo heute noch Wälder große Mengen an Kohlendioxid speichern, könnte das dem Klima weiter einheizen.

Auch die Kreisläufe, in denen die Atmosphäre und die belebte Landoberfläche, Wasser oder Stickstoff untereinander austauschen, dürften auf einer wärmeren Erde anders aussehen als heute. Diese Veränderungen der Biogeosphäre werden ebenfalls auf das Klima zurückwirken und vermutlich zu einer stärkeren Erwärmung führen. Sie werden zudem etwa den Wasserhaushalt der Erde durcheinander bringen mit vielfältigen Folgen für Mensch und Umwelt.

Die Eigenschaften von Pflanzen rücken in den Blick

Um zu verstehen und vorhersagen zu können, wie die Pflanzenwelt auf den Klimawandel reagieren wird, verfolgen Forscher um Markus Reichstein, Direktor am Max-Planck-Institut für Biogeochemie, Jens Kattge, Leiter einer Forschungsgruppe am selben Institut, und Christian Wirth, Professor an der Universität Leipzig sowie Direktor des Deutschen Zentrums für Integrative Biodiversitätsforschung (iDiv) Halle-Jena-Leipzig, mit aktuellen Arbeiten einen neuen Ansatz der funktionellen Biogeografie, den sie in einer Sonderausgabe des Fachjournals Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) vorstellen.
Die Forscher analysieren welche Merkmale der Pflanzen ausschlaggebend dafür sind, ob Bäume, Sträucher oder Gräser mit dem Klimawandel klar kommen oder nicht und ob Pflanzen ihre Eigenschaften anpassen, um etwa robuster gegenüber Kälte und Trockenheit zu werden. Zu den Pflanzeneigenschaften, um die es dabei geht, gehören die Holzdichte, Stammhöhe und Samenmasse ebenso wie die fotosynthetische Kapazität oder die Atmung der Pflanzen, bei der sie den in der Fotosynthese gewonnen Zucker zumindest teilweise wieder verbrennen.
Die Pflanzeneigenschaften liefern den Wissenschaftlern vielleicht eine Art Geheimcode, mit dem sie manche Rätsel der Ökosysteme und der Biogeografie lösen können. So lässt sich mit ihrer Hilfe womöglich auch ein Problem der Vegetationsmodelle beheben, mit denen sie bisher den Einfluss des Klimas auf Ökosysteme und deren Funktionen zu erklären versuchten. Wir können die Unterschiede zwischen Ökosystemen nicht allein mit dem Klima erklären, sagt Markus Reichstein. Der Landschaftsökologe vermutet wie auch einige andere Biogeoforscher, dass die Verständnislücke entsteht, weil seine Zunft bisher nur einen Zusammenhang zwischen dem Klima und funktionellen Pflanzentypen oder einzelnen Arten statt konkreter Pflanzeneigenschaften herzustellen versuchten.

Innerhalb funktioneller Pflanzentypen können Eigenschaften stark variieren

Als funktionelle Pflanzentypen gelten etwa immergrüne Nadelwälder, tropische Regenwälder, Savannen oder Ackerland. Diese Pflanzentypen sind per Definition an bestimmtes Klima gebunden. Diese Einteilung vernachlässigt aber, dass sich Eigenschaften innerhalb eines Pflanzentyps an veränderte Klimabedingungen anpassen können, erklärt Markus Reichstein. Wir wissen zum Beispiel, dass Kiefern an der Baumgrenze, wo sie einem eher ungünstigen Klima ausgesetzt sind, kleinere Nadeln bilden als unter günstigen klimatischen Bedingungen.
Mit den funktionellen Pflanzentypen hat sich in der Biogeografie also eine Art Schubladendenken etabliert, das der Wandelbarkeit der Pflanzen nicht gerecht wird. Genau das wollen Biogeochemiker wie Markus Reichstein, Christian Wirth und Ulrike Stahl, die ebenfalls am Max-Planck-Institut für Biogeochemie forscht, ändern, indem sie den Blick auf konkrete Pflanzenmerkmale richten.
Auch der Blick auf einzelne Arten, hilft Geoforschern nicht wirklich weiter, wenn sie den Einfluss des Klimas auf die Vegetation und die Landökosysteme verstehen wollen. Dann müssen wir die Rolle jeder einzelnen im Erdsystem verstehen, erklärt Jens Kattge aus der Arbeitsgruppe Funktionelle Biogeographie am Max-Planck-Institut für Biogeochemie, der zusammen mit den anderen Editoren der PNAS-Sonderausgabe in die funktionelle Biogeografie einführt.

Pflanzen eines funktionellen Typs mit unterschiedlichen Kohlendioxid-Bilanzen

Um die Bedeutung der Pflanzeneigenschaften zu untermauern, betrachten die Forscher um Markus Reichstein den Kohlendioxid-Haushalt von Ökosystemen. Ob ein Ökosystem mehr Kohlendioxid aufnimmt als es abgibt oder umgekehrt, hängt zum einen davon ab, wie viel Kohlendioxid die Pflanzen und Mikroorganismen einer Artengemeinschaft mittels der Fotosynthese in Kohlenhydraten binden. Zum anderen fließt in die Bilanz die Kohlendioxid-Menge ein, die vor allem Pflanzen und Mikroorganismen, aber auch Tiere freisetzen, indem sie die Kohlenhydrate für ihren Energiehaushalt wieder abbauen.
Bisher veranschlagen die Erdsystemmodelle, die das Klima, aber auch dessen Wechselspiel mit den Land-Ökosystemen simulieren, für jeden funktionellen Pflanzentyp fixe Parameter: Demnach müssten zum Beispiel alle Nadelwälder in gemäßigten Klimazonen dieselben maximalen Fotosyntheseraten aufweisen, und zwar andere als Grasländer, die sich wiederum untereinander unter denselben Bedingungen nicht unterscheiden.
Doch die Kategorien der funktionellen Pflanzentypen sind viel zu eng gefasst, als dass sie die Funktionen von Ökosystemen, wie etwa deren Rolle im globalen Kohlendioxid-Haushalt realistisch erfassen könnten. Tatsächlich nehmen manche Ökosysteme mehr Kohlendioxid auf als andere, obwohl Biogeografen sie demselben funktionellen Pflanzentyp zurechnen. Vor allem die Kohlenhydrat-Menge, die Organismen in der Zellatmung verbrennen, kann sich in verschiedenen Ökosystemen desselben funktionellen Pflanzentyps deutlich unterscheiden. Einen Zusammenhang mit den jeweiligen klimatischen Verhältnissen erkannten Biogeoforscher bisher nicht.


Gebraucht werden Daten zu Funktionen und Eigenschaften derselben Ökosysteme

Genau hier könnte der Blick auf die Pflanzeneigenschaften weiterhelfen. Zum Beispiel auf den Stickstoffgehalt von Blättern. Dieser entspricht der Konzentration an Enzymen, die an der Fotosynthese beteiligt sind, und hängt mit der gebundenen Kohlenstoff-Menge zusammen. Darauf lässt sich auch aus der Blattmasse pro Fläche schließen. Die Stickstoffkonzentration in den Wurzeln und im
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