Was wir immer noch darüber lernen, wie Bäume wachsen

Was wird mit den Wäldern der Welt in einer sich erwärmenden Welt geschehen? Wird der Anstieg des Kohlendioxids in der Atmosphäre das Wachstum der Bäume fördern? Oder werden extreme Temperatur- und Niederschlagsverhältnisse das Wachstum bremsen? Das alles hängt davon ab, ob das Wachstum der Bäume eher durch die Menge der Photosynthese oder durch die Umweltbedingungen, die das Wachstum der Baumzellen beeinflussen, begrenzt wird – eine grundlegende Frage in der Baumbiologie, deren Antwort bis jetzt nicht gut verstanden wurde.

Eine Studie unter der Leitung von Forschern der University of Utah mit einem internationalen Team von Mitarbeitern zeigt, dass das Wachstum von Bäumen im Allgemeinen nicht durch die Photosynthese, sondern eher durch das Zellwachstum begrenzt zu sein scheint. Dies deutet darauf hin, dass wir die Art und Weise, wie wir das Wachstum der Wälder in einem sich verändernden Klima prognostizieren, überdenken müssen, und dass die Wälder in Zukunft möglicherweise nicht so viel Kohlenstoff aus der Atmosphäre aufnehmen können, wie wir dachten.

“Ein Baum, der wächst, ist wie ein Pferdegespann, das sich auf der Straße vorwärts bewegt”, sagt William Anderegg, außerordentlicher Professor an der School of Biological Sciences der University of California und Hauptautor der Studie. “Aber wir wissen im Grunde nicht, ob die Photosynthese das Pferd ist, das sich am häufigsten bewegt, oder ob es die Zellexpansion und -teilung ist. Dies ist eine seit langem bestehende und schwierige Frage auf diesem Gebiet. Und sie ist von enormer Bedeutung für das Verständnis, wie Bäume auf den Klimawandel reagieren werden.”

Die Studie wurde in Science veröffentlicht und vom US-Landwirtschaftsministerium, der David and Lucille Packard Foundation, der National Science Foundation, dem US-Energieministerium und der Arctic Challenge for Sustainability II finanziert.

Quelle vs. Senke

In der Grundschule haben wir die Grundlagen gelernt: Bäume produzieren ihre eigene Nahrung durch Photosynthese, d. h. sie nehmen Sonnenlicht, Kohlendioxid und Wasser auf und verwandeln es in Blätter und Holz.

Die Geschichte geht aber noch weiter. Um den durch Photosynthese gewonnenen Kohlenstoff in Holz umzuwandeln, müssen sich die Holzzellen ausdehnen und teilen.

Die Bäume erhalten also Kohlenstoff aus der Atmosphäre durch Photosynthese. Dies ist die Kohlenstoffquelle der Bäume. Anschließend geben sie diesen Kohlenstoff aus, um neue Holzzellen zu bilden – die Kohlenstoffsenke des Baumes.

Wenn das Wachstum der Bäume quellenbegrenzt ist, dann ist es nur durch die Menge an Photosynthese begrenzt, die der Baum betreiben kann, und das Wachstum der Bäume ließe sich in einem mathematischen Modell relativ leicht vorhersagen. Ein Anstieg des Kohlendioxids in der Atmosphäre sollte also diese Begrenzung aufheben und die Bäume mehr wachsen lassen, richtig?

Wenn das Wachstum der Bäume jedoch durch die Senke begrenzt ist, kann der Baum nur so schnell wachsen, wie sich seine Zellen teilen können. Viele Faktoren können sowohl die Photosynthese als auch die Wachstumsrate der Zellen direkt beeinflussen, darunter die Temperatur und die Verfügbarkeit von Wasser oder Nährstoffen. Wenn Bäume also eine begrenzte Senke haben, muss bei der Simulation ihres Wachstums die Reaktion der Senke auf diese Faktoren berücksichtigt werden.

Die Forscher untersuchten diese Frage, indem sie die Quellen- und Senkenraten der Bäume an Standorten in Nordamerika, Europa, Japan und Australien verglichen. Die Messung der Kohlenstoffsenkenraten war relativ einfach – die Forscher entnahmen lediglich Proben von Bäumen, die Aufzeichnungen über ihr Wachstum enthielten. “Die Entnahme von Holzkernen aus Baumstämmen und die Messung der Breite der einzelnen Ringe auf diesen Kernen ermöglicht es uns, das Wachstum der Bäume in der Vergangenheit zu rekonstruieren”, sagt Antoine Cabon, Postdoktorand an der School of Biological Sciences und Hauptautor der Studie.

Die Messung der Kohlenstoffquellen ist schwieriger, aber machbar. Die Daten zu den Quellen wurden mit 78 Wirbelkovarianztürmen gemessen, die mindestens 30 Fuß hoch sind und die Kohlendioxidkonzentrationen und Windgeschwindigkeiten in drei Dimensionen an der Spitze der Baumkronen messen, sagt Cabon. “Auf der Grundlage dieser Messungen und einiger anderer Berechnungen”, so Cabon, “können wir die gesamte Photosynthese eines Waldbestands abschätzen.”

Entkoppelt

Die Forscher analysierten die gesammelten Daten und suchten nach Beweisen dafür, dass Baumwachstum und Photosynthese miteinander verbunden oder gekoppelt sind. Sie wurden nicht fündig. Wenn die Photosynthese zunahm oder abnahm, gab es keine parallele Zunahme oder Abnahme des Baumwachstums.

“Eine starke Kopplung zwischen Photosynthese und Baumwachstum wäre zu erwarten, wenn das Wachstum der Bäume an der Quelle begrenzt ist”, sagt Cabon. “Die Tatsache, dass wir überwiegend eine Entkopplung beobachten, ist unser Hauptargument für die Schlussfolgerung, dass das Baumwachstum nicht quellenbegrenzt ist.”

Überraschenderweise wurde die Entkopplung in Umgebungen auf der ganzen Welt beobachtet. Cabon sagt, man habe zwar erwartet, an einigen Orten eine Entkopplung zu sehen, aber “wir haben nicht erwartet, ein so weit verbreitetes Muster zu sehen”.

Die Stärke der Kopplung oder Entkopplung zwischen zwei Prozessen kann auf einem Spektrum liegen, daher interessierten sich die Forscher dafür, welche Bedingungen zu einer stärkeren oder schwächeren Entkopplung führten. Fruchttragende und blühende Bäume wiesen zum Beispiel andere Quelle-Senke-Beziehungen auf als Nadelbäume. Eine größere Vielfalt in einem Wald erhöhte die Kopplung. Dichte, bedeckte Blätterdächer verringerten sie.

Schließlich nahm die Kopplung zwischen Photosynthese und Wachstum unter warmen und feuchten Bedingungen zu, wobei auch das Gegenteil der Fall war: Unter kalten und trockenen Bedingungen sind die Bäume stärker durch das Zellwachstum eingeschränkt.

Cabon zufolge deutet diese letzte Erkenntnis darauf hin, dass die Frage nach Quelle und Senke von der Umgebung und dem Klima des Baumes abhängt. “Das bedeutet, dass der Klimawandel die Verteilung der Quellen- und Senkenbeschränkungen in den Wäldern der Welt neu gestalten könnte”, sagt er.

Ein neuer Weg in die Zukunft

Die wichtigste Erkenntnis ist, dass Vegetationsmodelle, die mathematische Gleichungen und Pflanzenmerkmale verwenden, um das zukünftige Waldwachstum abzuschätzen, möglicherweise aktualisiert werden müssen. “Praktisch alle diese Modelle gehen davon aus, dass das Baumwachstum durch Quellen begrenzt ist”, sagt Cabon.

So sagen die aktuellen Vegetationsmodelle beispielsweise voraus, dass die Wälder bei höherem Kohlendioxidgehalt in der Atmosphäre gedeihen werden. “Die Tatsache, dass das Wachstum von Bäumen oft auf die Senke beschränkt ist, bedeutet, dass dies für viele Wälder nicht der Fall sein wird”.

Das hat weitere Auswirkungen: Wälder absorbieren und speichern derzeit etwa ein Viertel unserer derzeitigen Kohlendioxidemissionen. Wenn sich das Waldwachstum verlangsamt, sinkt auch die Fähigkeit der Wälder, Kohlenstoff zu binden, und ihre Fähigkeit, den Klimawandel zu bremsen.

Weitere Autoren der Studie sind Steven A. Kannenberg, Universität Utah; Altaf Arain und Shawn McKenzie, McMaster University; Flurin Babst, Soumaya Belmecheri und David J. Moore, Universität Arizona; Dennis Baldocchi, Universität von Kalifornien, Berkeley; Nicolas Delpierre, Universität Paris-Saclay; Rossella Guerrieri, Universität Bologna; Justin T. Maxwell, Indiana University Bloomington; Frederick C. Meinzer und David Woodruff, USDA Forest Service, Pacific Northwest Research Station; Christoforos Pappas, Université du Québec à Montréal; Adrian V. Rocha, University of Notre Dame; Paul Szejner, National Autonomous University of Mexico; Masahito Ueyama, Osaka Prefecture University; Danielle Ulrich, Montana State University; Caroline Vincke, Universit. Catholique de Louvain; Steven L. Voelker, Michigan Technological University und Jingshu Wei, Polnische Akademie der Wissenschaften.

Datum: Mai 12, 2022
Quelle: Universität von Utah


Journal Reference:

  1. Antoine Cabon, Steven A. Kannenberg, Altaf Arain, Flurin Babst, Dennis Baldocchi, Soumaya Belmecheri, Nicolas Delpierre, Rossella Guerrieri, Justin T. Maxwell, Shawn McKenzie, Frederick C. Meinzer, David J. P. Moore, Christoforos Pappas, Adrian V. Rocha, Paul Szejner, Masahito Ueyama, Danielle Ulrich, Caroline Vincke, Steven L. Voelker, Jingshu Wei, David Woodruff, William R. L. Anderegg. Cross-biome synthesis of source versus sink limits to tree growthScience, 2022; 376 (6594): 758 DOI: 10.1126/science.abm4875

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