Vielfalt an Wassernutzungsstrategien von Pflanzen machen Wälder resilienter gegen extreme Dürren 

Forschende untersuchen in der Biosphere 2 mit bislang größtem Markierungsexperiment, wie H2O, CO2 und VOCs durch dürregestresste Pflanzen und Böden fließen

16. Dezember 2021

Pressemeldung der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg mit Ergänzung MPIC

•    Studienergebnisse können helfen Wälder widerstandsfähiger zu machen und Klimamodelle zu präzisieren
•    80 Forschende im interdisziplinären Team beteiligt, Max-Planck-Wissenschaftler ermittelten Emissionen flüchtiger organischer Verbindungen
 

Forschende untersuchen in der Biosphere 2 (s. Bild) , wie H2O, CO2 und VOCs durch dürregestresste Pflanzen und Böden fließen.

Wie genau reagieren ein Waldsystem und seine einzelnen Pflanzen auf extreme Dürre? Die beteiligten Prozesse zu verstehen ist maßgeblich, um Wälder widerstandsfähiger gegen zunehmende Trockenheit im Klimawandel zu machen und auch um Klimamodelle weiter präzisieren zu können. Ein Forschungsteam um Prof. Dr. Christiane Werner von der Universität Freiburg hat zu dieser Frage nun das bislang umfassendste Experiment unter Einsatz von stabilen Isotopen als Marker durchgeführt. Dafür haben sie einen künstlichen Regenwald 9,5 Wochen Dürre ausgesetzt und beobachtet, welche spezifischen Strategien unterschiedliche Pflanzen gegen die Trockenheit anwendeten und wie sie dabei mit anderen Pflanzen, dem Boden und der Atmosphäre interagierten. Insgesamt wurde ein komplexes Zusammenwirken von unterschiedlich dürreresistenten Bäumen und Pflanzen sichtbar, das ausschlaggebend dafür war, die Stabilität des gesamten Waldsystems so lange wie möglich aufrechtzuerhalten. Zudem ergab das Experiment weitere Hinweise darauf, wie sich Dürre auf die CO2-Speicherung Waldes auswirkt und wie Gas-Emissionen von dürregestressten Pflanzen die Atmosphäre und das Klima beeinflussen können. Das Experiment das zusammen mit Dr. Nemiah Ladd (Uni Freiburg) und Dr. Laura Meredith (Uni Arizona) koordiniert wurde, fand in dem US-Forschungszentrum Biosphere 2 statt. 80 Wissenschaftler*innen waren in dem interdisziplinären und internationalen Team beteiligt.

Die Forschenden identifizierten in ihrem Experiment vier Pflanzentypen mit unterschiedlichen Reaktionen auf die erzeugte Dürre: trockentolerante und trockenheitsempfindliche – und in diesen beiden Kategorien große, kronenbildende Bäume sowie Unterwuchsarten.

Im künstlichen Regenwald der Biosphere 2 setzten Forschende die Pflanzen 9,5 Wochen Dürre ausund beobachteten, welche Strategien unterschiedliche Pflanzen gegen die Trockenheit anwendeten.

„Eine der erstaunlichsten Reaktionen beobachteten wir zwischen den großen, trockenheitstoleranten und -empfindlichen Bäumen“, erläutert Christiane Werner. Die empfindlichen sind diejenigen, die generell am meisten Wasser verbrauchen, insbesondere aus dem Oberboden. Da dieser auch am schnellsten austrocknete, litten sie am schnellsten und am intensivsten am Wassermangel. Zu vermuten sei gewesen, dass sie umgehend auch die Wasserressourcen im tiefen Boden anzapfen, um ihren hohen Verbrauch aufrecht zu erhalten. „Stattdessen aber“, so Werner, „drosselten sie ihren Wasserverbrauch drastisch und griffen erst unter sehr extremer Dürre auf ihre Tiefwasserreserven zurück. Damit schonten sie möglichst lange die tiefliegenden Wasserreserven, auch für die trockenheitstoleranten Bäume.“ Und diese hingegen erhielten durch ihren ohnehin geringeren Wasserdurchfluss länger ihr Blätterdach, was wiederum längere Feuchtigkeit im Unterwuchs unterstützte. Und ein geschonter Unterwuchs wirkt der Austrocknung im Oberboden entgegen, von dem die trockenheitsempfindlichen Bäume stark abhängen. Das Wasser blieb durch das komplexe Zusammenwirken also länger im gesamten System und das System damit länger stabil.

„Damit zeigt sich“, so Werner, „dass Pflanzen in einem Waldsystem unterschiedliche und gleichsam komplementäre hydraulische Strategien evolutionär entwickeln können – und mit diesem Zusammenspiel die Widerstandsfähigkeit des gesamten Waldes gegen Trockenheit erhöhen. Darüber genaueres Wissen zu erlangen, wird wesentlich dabei helfen können, Wälder resilienter gegen klimabedingte Dürre zu machen.“ 

Für ihre Erkenntnisse untersuchten die Forschenden die Flüsse von H2O, CO2 und flüchtigen organischen Verbindungen (VOCs), wie etwa Isopren und Monoterpene. Hierfür gaben sie markiertes 13CO2 und 2H2O in die Biosphere 2 und verfolgten dann im Verlauf des Experimentes, wie sich diese Stoffe durch die Bäume, Pflanzen und Böden verteilten. So konnten die Wissenschaftler*innen unter anderem beobachten, wie intensiv der Wasserverbrauch und -durchfluss der Pflanzen war, aus welchen Bodenregionen sie wann das Wasser nahmen und auch wie und wo CO2 und VOCs in den Pflanzen und Böden gespeichert und in die Atmosphäre ausgestoßen wurden. Erstmals wurde ein solches Markierungsexperiment in einem ganzen Wald durchgeführt, was nur innerhalb des abgeschlossenen Systems der Biosphere 2 möglich ist. 

Bei der Speicherung und Emission von CO2 und VOCs beobachteten die Forschenden unter anderem, dass die Kohlenstoffspeicherung des Waldsystems sich um circa 70 Prozent verringerte und die Pflanzen unter zunehmendem Dürrestress vermehrt VOCs ausstießen, die durch Wechselwirkungen in der Atmosphäre unter anderem zur Bildung von Ozon führen können. Zudem erfolgte eine Kaskade der Emissionen verschiedener VOCs, wie Isopren, Monoterpene und Hexanal, die das zunehmende Maß an Trockenstress reflektierte. Insbesondere Monoterpene können wiederum Wolkenkondensation und damit Regenbildung unterstützen, vermutlich als weiteren Schutzmechanismus gegen Dürre. 

Die VOC-Emissionen ermittelte unter anderem das Team um Jonathan Williams vom Max-Planck-Institut für Chemie. Obwohl er selbst Atmosphärenchemiker ist, fand Williams es in diesem Fall hilfreich, dass in der Biosphäre 2 keine luftchemischen Prozesse abliefen, sodass die biologischen Reaktionen isoliert beurteilt werden konnte. „In Biosphere 2 konnten wir die stressbedingten biologischen Veränderungen und die Emissionen der Pflanzen ohne zusätzliche Einflüsse messen, wie man sie im Regenwald beispielsweise durch plötzliche Regenfälle oder auch durch Biomasseverbrennung hat“, sagt Williams. Aufgrund des Klimawandels sei es absehbar, dass es im Amazonasgebiet zukünftig verstärkt zu Dürren kommen wird. Dass das untersuchte Ökosystem vielfältige Wassernutzungsstrategien hat und somit resilienter sei als zunächst vermutet, macht den Max-Planck-Wissenschaftler zwar vorsichtig optimistisch für den natürlichen Regenwald. Dennoch sei der Schutz des Waldes oberstes Gebot.

„All diese Erkenntnisse sind insofern auch wichtig für die Klimaforschung“, so Christiane Werner. „Welche Wassernutzungsstrategien Pflanzen gegen Dürre einsetzen und wie sie dabei mit anderen Pflanzen, mit den Böden und der Atmosphäre interagieren – all das kann Modellierungsstudien zum Klimawandel künftig präziser machen“, sagt Christiane Werner.

Zu dem interdisziplinären und internationalen Forschungsteam gehören unter anderem Hydrologen, Ökophysiologen, Mikrobiologen, Ökologen und Atmosphärenforschende „Diese breite Expertise hat unter anderem ermöglicht, dass wir Veränderungen von Prozessen auf der Mikroskala, etwa molekulare Prozesse in den Zellen und Mikroben bis hin zum Ökosystem-Atmosphärenaustausch besser verstehen“, so Werner. Die Forschung ist Teil ihres ERC Consolidator Projekts und wurde zusätzlich durch die Philecology Foundation der Biosphere 2 gefördert.
 

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