Bäume nutzen Wasser durch höheren CO2-Anteil in der Atmosphäre zwar effizienter, dies wird aber durch die Erwärmung zunichte gemacht

Wie eine Forschergemeinschaft nun herausfand führt der Anstieg des Kohlendioxidgehaltes in der Luft dazu, dass Bäume in Europa das ihnen zur Verfügung stehende Wasser immer effizienter nutzen. Im Laufe des zwanzigsten Jahrhunderts ist die sogenannte Wassernutzungseffizienz um rund 20% gestiegen. Dennoch nimmt ihr Wasserverbrauch nicht ab, sondern zu, weil das CO2 gleichzeitig die untere Atmosphäre erwärmt, somit die Wachstumsperiode verlängert und die Verdunstungsrate erhöht.

Pinus nigra stomata Schweingruber 200 gr
Mikroskopischer Querschnitt durch eine Kiefernnadel. An der Aussenseite sind die Spaltöffnungen zu erkennen, durch die CO2 aufgenommen und Wasser transpiriert wird. (Foto: © Fritz Schweingruber / WSL)

Pflanzen nehmen Kohlenstoffdioxid (CO2) aus der Luft auf und geben dafür beim Prozess der Photosynthese Sauerstoff (O2) und Wasserdampf (H2O) ab. Verantwortlich für diesen Gasaustausch zwischen Atmosphäre und Pflanzen sind die Spaltöffnungen (Stomata) der Blätter und Nadeln. Die Öffnungsweite dieser Poren kann durch die Pflanze geregelt werden, um die Aufnahme von CO2 aus der Atmosphäre und gleichzeitige Abgabe von Wasser bzw. Wasserdampf in die Atmosphäre zu steuern. Über die Photosynthese sind deshalb Wasser- und Kohlenstoffkreislauf der Erde eng verknüpft. Weiter geöffnete Spaltöffnungen erlauben die Aufnahme einer größeren Menge von CO2 –Molekülen, führen aber zugleich aber auch zu einer stärkeren Abgabe von Wasserdampf (Transpiration) in die Atmosphäre und umgekehrt. Um mal eine Größenordnung zu nennen: Es wird über 100 Kilogramm Wasser pro produziertes Kilogramm Kohlenhydrate verdunstet.

Das internationale Forscherteam hat nun genauer untersucht, wie sich der erhöhte Kohlendioxidgehalt in der Luft und die Klimaveränderung auf Wälder verschiedener Klimazonen Europas und ihre Wassernutzungseffizienz auswirken. Dazu kombinierten sie Messungen von Kohlenstoffisotopen in Jahrringen von Bäumen mit Computermodellen, welche die globale Vegetationsentwicklung simulieren können, sogenannte dynamische globale Vegetationsmodelle (DGVM’s).

Baumringe von Standorten zwischen Marokko und Norwegen analysiert

Bisherige Studien weisen darauf hin, dass Pflanzen ihre Spaltöffnungen so regulieren, dass sie gleichzeitig die Aufnahme von Kohlenstoff maximieren und den Verlust von Wasser minimieren. „Jahrringe von Bäumen bieten eine grossartige Möglichkeit, die Reaktion von Ökosystemen auf den Klimawandel über lange Zeiträume hinweg zu analysieren“, sagt der Erstautor der Studie, David Frank, Dendroklimatologe an der Eidgenössischen Forschungsanstalt für Wald, Schnee und Landschaft WSL in Birmensdorf und Mitarbeiter am Oeschger Zentrum für Klimaforschung der Universität Bern. Daher nutzten die Forschenden Jahrringdaten von 23 Waldstandorten zwischen Marokko und Norwegen und ermittelten aus diesen die Wassernutzungseffizienz. „Wenn wir in den Jahrringen das Verhältnis von schweren zu leichten Kohlenstoff-Isotopen messen, können wir die Wassernutzungseffizienz und die sie steuernden Umwelteinflüsse in die Vergangenheit zurück verfolgen“, ergänzt Kerstin Treydte, Expertin für Jahrring-Isotope an der WSL und Mitautorin der Studie. Denn eine höhere Kohlenstoffverfügbarkeit und kleinere Stomata-Öffnungen führen offenbar dazu, dass das leichte Kohlenstoffisotop 12C im Verhältnis zum schweren Isotop 13C vermehrt in die Biomasse eingebaut wird. Am Ende fanden die Forschenden heraus, dass im Laufe des 20. Jahrhunderts bei Laubbäumen die Kohlenstoffaufnahme bei gleichbleibendem Wasserverbrauch um 14%, bei Nadelbäumen um 22% gestiegen ist.

Verdunstung steigt trotz erhöhter Wassernutzungseffizienz

Mit den gewonnenen Daten hat das Forscherteam zudem Modellsimulationen durchgeführt. Sie zeigen, dass der Wasserverbrauch der Wälder in Europa trotz der erhöhten Wassernutzungseffizienz nicht gesunken ist. Im Gegenteil: Aufgrund längerer Wachstumsperioden, grösserer Kronenflächen, und höherer Temperaturen nahm die Verdunstung im Lauf des zwanzigsten Jahrhunderts sogar zu. Es ist daher sehr unwahrscheinlich, dass die Anpassung der Bäume an die erhöhte Kohlendioxidkonzentration in der Luft die Menge des Wasserdampfes in der Atmosphäre – ein wichtiges Treibhausgas – vermindern wird. Ebenso wird wohl der Wassergehalt im Boden oder auch die Wassermenge in Flüssen nicht massgeblich beeinflusst werden.

„Eigentlich sollte erhöhter CO2-Gehalt der Atmosphäre, bei gleichem CO2 -Bedarf der Bäume, die Spaltöffnungen der Blätter und Nadeln eher verengen und so die Abgabe von Wasserdampf vermindern, also ihren Wasserverlust minimieren“, erläutert Mitautor Gerhard Helle vom Deutschen GeoForschungsZentrum GFZ das Studienergebnis. „Dennoch ist die Transpiration im Schnitt über das letzte Jahrhundert um fünf Prozent angestiegen. Das liegt nach unserer Auffassung an den sich stetig verlängernden jährlichen Wachstumsperioden, verstärkter Verdunstung in einer wärmer werdenden Umgebung und an größer gewordenen Blattoberflächen.“

Die Erkenntnisse dieser Studie liefern wichtige Informationen, um die Simulation des Kohlenstoff- und des Wasserkreislaufes in globalen Klimamodellen zu verbessern. „Wir konnten die aus den Jahrringen gewonnenen Daten mit mehreren Vegetationsmodellen vergleichen und waren über die gute Übereinstimmung erfreut. Diese Art von Test hilft uns, die Modelle weiterzuentwickeln. In diesem Fall zeigt es uns aber auch, dass wir den Modellvorhersagen für die Wassernutzungseffizienz vertrauen können“, sagt Chris Huntingford, Klimamodellierer am Zentrum für Ökologie und Hydrologie in Grossbritannien.

„Unsere Ergebnisse illustrieren, wie wichtig es ist, so kleinskalige Prozesse wie die Reaktionen der Spaltöffnungen auch auf einer grösseren Ebene, also auf der von Bäumen und Wäldern zu betrachten. Dies gelingt durch die Kombination von Messdaten und Modellsimulationen“, sagt Ben Poulter, Vegetationsmodellierer an der Montana State University, USA. „Tiefe Einblicke in die komplexen Kreisläufe der Erde sind zudem nur möglich, wenn grosse interdisziplinäre Forschungsteams zusammenarbeiten und Vorgehensweisen gewählt werden, die Messdaten und Modellergebnisse miteinander verknüpfen.“

Soweit die Erkenntnisse der Wissenschaft. Offenbar wird damit die Ansicht vieler Klimawissenschaftsleugner widerlegt, dass CO2 das Wachstum von Pflanzen grundsätzlich begünstigt. Eine kürzlich veröffentlichte Untersuchung amerikanischer Wissenschaftler, die über 30 Jahre erfolgte, kam bereits zu dem Ergebnis, dass CO2-Überdungung zu einem früheren Tod von Bäumen im Amazonas-Urwald führte. Für Europa gab es jedoch keine entsprechenden Erkenntnisse.

Die oben beschriebene Studie macht aber auch die Risiken für die europäischen Wälder deutlich. Zwar verbessern die hier heimischen Bäume ihre Wasserausnutzung aufgrund einer besseren CO2-Verfügbarkeit, jedoch verdunsten sie aufgrund der Erwärmung trotzdem stärker. Da erwärmungsbedingt auch mit größeren Dürren und einer abnehmenden Wasserverfügbarkeit für Pflanzen zu rechnen ist, ist dies keine gute Nachricht für unsere Wälder.

Eidgenössische Forschungsanstalt für Wald, Schnee und Landschaft WSL

Helmholtz-Zentrum Potsdam - Deutsches GeoForschungsZentrum GFZ

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