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08.08.2017, MPI-BGC_Neue Grundlagen für die Verbesserung von Klima-und Vegetationsmodellen
 
Immer häufiger vorkommende Dürreperioden zerstören ganze Waldregionen und gefährden die Regulierungsfunktion der Wälder für das globale Klima. Die Zukunft des Waldes unter veränderten Klimabedingungen wird mit Vegetationsmodellen erforscht. Diesen fehlten bislang realistische Mechanismen für das Absterben von Bäumen bei Trockenstress. Eine neue Studie fasst Ergebnisse aus 19 Dürreexperimenten zusammen und zeigt auf, dass Bäume bei Dürre nicht nur verdursten, sondern auch verhungern. Die dabei erworbenen Kenntnisse liefern solide Grundlagen für die Verbesserung von Klima-und Vegetationsmodellen.

MPI-BGC_PM_08.08.2017





Sichtbare Trockenstress-Schäden bei einem Laubmischwald in Thüringen (Fotos: Susanne Héjja)

Wälder sind essentiell für das globale Klima
Wissenschaftler registrieren weltweit eine Zunahme von dürrebedingtem Baumsterben, sowohl in den borealen Wäldern Nordeuropas als auch in den tropischen Wäldern südlich des Äquators. Die Landpflanzen sind nicht nur ein bedeutsamer Kohlenstoffspeicher, sondern nehmen auch in etwa die Hälfte der menschengemachten Kohlendioxidemissionen aus der Atmosphäre wieder auf. Es ist deshalb wichtig, die Zukunft der Landvegetation unter sich drastisch verändernden Umweltbeding-ungen voraussagen zu können. Die aktuellen globalen Vegetationsmodelle tun sich schwer, übereinstimmende Schätzungen des Kohlendioxidumsatzes zu liefern, basieren sie doch auf unterschiedlichen Annahmen, wie beispielsweise Bäume auf Trockenstress reagieren.

Bäume haben nicht nur Durst bei Dürre – sie hungern auch
Wissenschaftler untersuchen in diesem Zusammenhang schon seit langem die physiologischen Mechanismen des Baumsterbens bei Dürre: Verdursten die Bäume, weil der Wassertransport zusammenbricht oder verhungern sie aus Mangel an Kohlehydraten?

Bäume verdunsten große Mengen Wasser für den Transport von Nährstoffen, zur Kühlung und für die Photosynthese. Bei diesem Transpirationsprozess erleichtern kleine Poren in den Blättern, die Spaltöffnungen oder Stomata, den Austausch von Gasen wie Kohlendioxid und Sauerstoff. Leidet der Baum unter Hitze und Trockenheit, schließt er die Stomata und reduziert damit den Wasserverlust, aber auch den Eintrag von Kohlendioxid und somit die Photosynthese. Hält der Trockenstress an, kann der Eigenbedarf an Kohlehydraten für den Stoffwechsel nicht mehr gedeckt werden und der Baum wird anfälliger für Krankheiten und Schädlinge.

Bei gleichzeitig weiter austrocknendem Boden steigt die Wasserspannung im Leitgewebe und damit auch das Risiko für die Bildung von Embolien, das heißt Gasblasen in den Leitbahnen. Sie unterbrechen den Wassertransport teilweise oder vollständig, und es kann zur verhängnisvollen Austrocknung von Geweben kommen.

Bislang bestand Uneinigkeit darüber, welcher dieser Mechanismen, Ausfall des Wassertransports oder Kohlehydratmangel, vorrangig für das Absterben der Bäume verantwortlich ist.

Eine erste einheitliche Ergebniszusammenfassung zu den Ursachen des Baumsterbens
In der aktuell veröffentlichten Studie haben 62 internationale Forscher, unter der Leitung von Henry Adams von der Oklahoma State University, Daten von 19 verschiedenen Trockenstressexperimenten zusammengetragen und ausgewertet. Die Wissenschaftler fanden heraus, dass für alle 26 untersuchten Baumarten die Unterbrechung des Wassertransports ausschlaggebend ist für ihren Trockentod. In etwa der Hälfte der Fälle spielt „Kohlenstoffhunger“ eine begleitende Rolle.

„Die Studie ist besonders wertvoll, weil wir durch eine einheitliche Analyse der verschiedenen Experimente nun allgemeine Schlussfolgerungen ziehen können, was bei Einzelversuchen einfach nicht möglich ist“, erklärt Dr. Henrik Hartmann, Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Biogeochemie und einer der Hauptautoren der Studie.

Die Untersuchung zeigt zudem, dass beide Phänomene, sowohl Kohlehydratmangel als auch Wassertransportschäden bei Trockenstress auftreten. „Dies macht Sinn, denn die gespeicherten Zucker und Stärke spielen eine unterstützende Rolle im hydraulischen System des Baums, zum Beispiel, indem sie den osmotischen Druck in den Zellen regulieren.“ erklärt Henrik Hartmann, der die Ergebnisse von zwei Trockenstressexperimenten in die Studie mit hat einfließen lassen.

Das aus der Studie gewonnene Wissen bildet die Grundlage für weiterführende Untersuchungen über die verschiedenen Funktionen von Kohlenhydraten in Bäumen und insbesondere über deren Rolle bei Trockenstress. „Das Thema beschäftigt mich schon seit einigen Jahren und wir sind nun einen gutes Stück weitergekommen“ sagt Henrik Hartmann, „Die Meta-Analyse zeigt deutlich die Verbindung beider Prozesse und wird somit dazu beitragen, Vegetationsmodelle und Prognosen zum Klimawandel zu verbessern.“

Originalveröffentlichung:
Adams et al. (61 co-authors). A multi-species synthesis of physiological mechanisms in drought-induced mortality. Nature Ecology and Evolution, DOI: 10.1038/s41559-017-0248-x