Bäu­me im Trockenstress

For­schungs-Groß­ge­rät der Trie­rer Geo­bo­ta­nik lie­fert Daten für ein Pro­jekt zum Kli­ma­wan­del in der Schweiz

Wie wir­ken sich Tem­pe­ra­tur­er­hö­hung und dar­aus resul­tie­ren­de Tro­cken­heit im Ver­lauf des aktu­el­len Kli­ma­wan­dels auf Wäl­der aus? Die­se glo­bal bedeu­ten­de Fra­ge beschäf­tigt auch Pflan­zen­phy­sio­lo­gen und Forst­wis­sen­schaft­ler der renom­mier­ten Eid­ge­nös­si­schen For­schungs­an­stalt für Wald, Schnee und Land­schaft (WSL). Im Rah­men einer Lang­zeit-Unter­su­chung an einem Kie­fern­wald im Kan­ton Wal­lis wur­den in einem Mar­kie­rungs-Expe­ri­ment mit natür­lich vor­kom­men­den, sta­bi­len Iso­to­pen ein­zel­ne Bäu­me erhöh­ten Kon­zen­tra­tio­nen von Koh­len­stoff­di­oxid (CO2) und Was­ser­dampf aus­ge­setzt. Dabei kamen auch Ana­ly­se­ge­rä­te des Fachs Geo­bo­ta­nik (Fach­be­reich VI) der Uni­ver­si­tät Trier zum Ein­satz, die kürz­lich durch Bewil­li­gung eines Antrags auf For­schungs­groß­ge­rä­te beschafft wer­den konnten.

Umhül­lung eines Bau­mes im Wald­kie­fern­be­stand des Pfyn­walds. Inner­halb der Plas­tik­hül­le sind Mess­ge­rä­te und Zulei­tun­gen zur Erfas­sung des Klein­kli­mas in der Hül­le und des Gas­wech­sels der Nadeln ange­bracht. Wäh­rend der Begas­ung ist die Hül­le um den Stamm her­um geschlos­sen. Am unte­ren Bild­rand ist der obe­re Teil des Gerüs­tes zu erken­nen, über das ein Teil der Baum­kro­nen zugäng­lich ist. Foto: Frank Thomas

Wie für die Mehr­zahl mit­tel­eu­ro­päi­scher Regio­nen, so wer­den auch für die Schweiz im Ver­lauf des 21. Jahr­hun­derts stei­gen­de Tem­pe­ra­tu­ren pro­gnos­ti­ziert. Beson­ders davon betrof­fen sind vor­aus­sicht­lich die tro­cke­nen inne­ral­pi­nen Täler, zu denen auch die Tief­la­gen des Wal­lis gehö­ren. In den Bestän­den der Wald­kie­fer oder Wald­föh­re (Pinus syl­ves­tris) des Pfyn­walds, eines zehn Qua­drat­ki­lo­me­ter umfas­sen­den Natur­re­ser­vats im Wal­li­ser Rho­ne­tal (615 m ü. NN), wird die kli­ma­ti­sche Tro­cken­heit noch ver­stärkt durch den extrem flach­grün­di­gen Boden, der dem ver­wit­tern­den Kalk­schutt des Gorwetsch­grats in einer Stär­ke von teil­wei­se nur etwa zehn Zen­ti­me­tern auf­liegt. Des­halb sind die unge­fähr 100 Jah­re alten Kie­fern dort auch nur cir­ca elf Meter hoch. Den­noch stel­len ihre Bestän­de einen wich­ti­gen Schutz vor Mur­gän­gen dar.

Um die Reak­tio­nen der Wald­kie­fern auf zuneh­men­de Tro­cken­heit im Ver­gleich mit gut was­ser­ver­sorg­ten Bäu­men zu tes­ten, star­te­te die WSL im Pfyn­wald im Jahr 2003 ein Pro­jekt, das bis 2022 lau­fen. Wäh­rend drei Bestan­des­tei­le unter Umge­bungs­be­din­gun­gen ver­blei­ben, wer­den drei ande­re Bestan­des­tei­le jähr­lich von April bis Okto­ber über Sprink­ler künst­lich bereg­net, um einen Ver­gleich mit gut was­ser­ver­sorg­ten Bäu­men zu ermög­li­chen. Auf jeweils einer Teil­flä­che der bereg­ne­ten Bestan­des­tei­le wur­de die Bereg­nung im Okto­ber 2013 ein­ge­stellt, um die Reak­tio­nen der Bäu­me auf die dann wie­der zuneh­men­de Tro­cken­heit zu prüfen.

Im Rah­men die­ses Pro­jekts führ­te die WSL vom 29. August bis 19. Sep­tem­ber 2017 unter wis­sen­schaft­li­cher Lei­tung von Dr. Arthur Gess­ler und wis­sen­schaft­li­cher Koor­di­na­ti­on durch Dr. Jobin Joseph ein Expe­ri­ment zur Auf­nah­me von CO2 und Was­ser­dampf über die Nadeln durch, um Unter­schie­de zwi­schen tro­cken­heits­ge­stress­ten und gut was­ser­ver­sorg­ten Bäu­men in der Umset­zung die­ser Stof­fe wäh­rend des Stoff­wech­sels zu unter­su­chen. Dazu wur­den nicht nur ein­zel­ne Äste, son­dern auch die gesam­ten Kro­nen aus­ge­wähl­ter Kie­fern in Plas­tik­fo­lie ein­ge­hüllt und drei Stun­den lang mit erhöh­ten Kon­zen­tra­tio­nen von CO2 oder Was­ser­dampf begast bzw. benebelt.

Das dabei ver­wen­de­te CO2 ent­hielt als Koh­len­stoff © – anstel­le des in der Natur vor­herr­schen­den C-Atoms mit der Mas­se 12 – fast aus­schließ­lich das schwe­re, in der Natur aber mit einem Anteil von nur etwa einem Pro­zent vor­kom­men­de 13C. Der Was­ser­dampf (H2O) war mit dem schwe­ren Sauer­stoff-Atom 18O mar­kiert, des­sen natür­li­cher Anteil an den Sauer­stoff­ato­men aber nur knapp 0,2 Pro­zent beträgt. Auf die­se Wei­se ist es mög­lich, den Weg des auf­ge­nom­me­nen Koh­len- und Sauer­stoffs über die Stoff­wech­sel­pro­zes­se im Baum und über even­tu­ell vom Baum abge­ge­be­ne Sub­stan­zen zu ver­fol­gen: Das CO2 wird in den Nadeln durch Foto­syn­the­se zu Koh­len­hy­dra­ten (Zucker) umge­setzt, die über meh­re­re Stoff­wech­sel­vor­gän­ge in den Spei­cher­stoff Stär­ke oder in die Gerüst­sub­stan­zen Cel­lu­lo­se und Lignin (den Grund­stoff des Hol­zes) über­führt wer­den. Ein Teil der Koh­len­hy­dra­te kann auch über die Wur­zeln im Aus­tausch gegen Mine­ral­stof­fe an Pil­ze abge­ge­ben wer­den, mit denen die Bäu­me zu gegen­sei­ti­gem Vor­teil (mutua­lis­tisch) zusam­men­le­ben oder in den Wur­zel­raum aus­ge­schie­den wer­den, wo sie die Nah­rungs­grund­la­ge für Bak­te­ri­en bilden.

Durch die Bene­be­lung mit mar­kier­tem Was­ser­dampf wie­der­um lässt sich nach­ver­fol­gen, zu wel­chen Antei­len der aus der Atmo­sphä­re auf­ge­nom­me­ne Sauer­stoff und – im Umkehr­schluss – zu wel­chen Antei­len Sauer­stoff des aus dem Boden auf­ge­nom­me­nen Was­sers in den Nadeln in orga­ni­sche Sub­stanz über­führt wird und schließ­lich in ande­ren Tei­len des Bau­mes landet.

Nach dem Ent­fer­nen der Plas­tik­fo­lie im Anschluss an die drei­stün­di­ge Expo­si­ti­on der Baum­kro­nen wur­de die Luft im unte­ren Bereich des Baum­be­stan­des mit trag­ba­ren Geblä­sen ver­wir­belt, um eine loka­le Anrei­che­rung der Mar­kie­rungs­sub­stan­zen und eine dadurch mög­li­che Beein­flus­sung der Unter­su­chungs­er­geb­nis­se zu ver­mei­den. Zur Nach­ver­fol­gung die­ser Stoff­wech­sel­we­ge wer­den nach Ende des Expe­ri­ments Pro­ben ver­schie­de­ner Pflan­zen­tei­le (Nadeln, Trans­port­ge­we­be, Holz, Wur­zeln) sowie von Pil­zen, Boden und auch von neben den Alt­bäu­men wach­sen­den Kie­fern­säm­lin­gen gewonnen.

Mit ent­spre­chen­den Berech­nun­gen las­sen sich auch die Men­gen der jeweils trans­por­tier­ten orga­ni­schen Sub­stan­zen kal­ku­lie­ren. Auf die­se Wei­se wird deut­lich, wel­che Aus­wir­kun­gen Tro­cken­heit auf das Stoff­wech­sel­ver­hal­ten der Wald­bäu­me und damit auch auf die Sta­bi­li­tät und gege­be­nen­falls Erho­lungs­fä­hig­keit der Wäl­der hat.

Koh­len­stoff­iso­to­pen-Ana­ly­sa­tor (links, hin­ter dem Moni­tor) mit Mul­ti­port-Ein­gangs­ven­til (rechts) der Geo­bo­ta­nik Trier im Mes­s­ein­satz in einem Wald­kie­fern­be­stand des Pfyn­walds. Auf der rech­ten Sei­te des Moni­tor­bil­des ist der Anstieg der CO2-Kon­zen­tra­ti­on (obe­re Gra­fik) und des Anteils des schwe­ren Koh­len­stoff-Iso­tops 13C am CO2 (unte­re Gra­fik) nach Beginn der Begas­ung zu erken­nen. Die Gerä­te sind zum Schutz vor Wit­te­rungs­ein­flüs­sen in einer mit Plas­tik­fo­lie abge­dich­te­ten Holz­kis­te unter­ge­bracht. Fotos: Frank Thomas

Mit sei­ner Dau­er und der Viel­falt sei­ner For­schungs­an­sät­ze ist das Pfyn­wald-Pro­jekt zumin­dest in Euro­pa ein­zig­ar­tig auf dem Gebiet von Stu­di­en zu den Aus­wir­kun­gen von Tro­cken­stress auf Wäl­der. Der­ar­tig kom­ple­xe Unter­su­chun­gen von der Ebe­ne ein­zel­ner Baum­or­ga­ne bis zur Bestan­des­ebe­ne sind nur durch Zusam­men­ar­beit meh­re­rer Arbeits­grup­pen mit jeweils spe­zi­fi­schen Auf­ga­ben­stel­lun­gen mög­lich – eine für aktu­el­le Pro­jek­te im Bereich der Umwelt­for­schung typi­sche Vor­aus­set­zung. Dem­entspre­chend sind auch am aktu­el­len Expe­ri­ment ver­schie­de­ne Arbeits­grup­pen nicht nur aus der Schweiz (WSL, Uni­ver­si­tät Basel), son­dern auch aus Deutsch­land betei­ligt (Max-Planck-Insti­tut für Bio­geo­che­mie in Jena, Uni­ver­si­tät Hohen­heim, Uni­ver­si­tät Trier).

Zur Durch­füh­rung des Bene­be­lungs-Expe­ri­ments und zur Erwei­te­rung der Mess­ka­pa­zi­tä­ten für den 13C-Mar­kie­rungs­ver­such wur­de die Geo­bo­ta­nik der Uni­ver­si­tät Trier gebe­ten, an dem aktu­el­len Expe­ri­ment teil­zu­neh­men. Dabei kamen ein Koh­len­di­oxid- und ein Was­ser­dampf­iso­to­pen-Ana­ly­sa­tor der Geo­bo­ta­nik mit ange­schlos­se­ner Was­ser­dampf-Iso­to­pen­stan­dard­quel­le zum Ein­satz. Die­se Gerä­te waren von der Geo­bo­ta­nik im Som­mer 2016 nach Bewil­li­gung eines DFG-Antrags auf Beschaf­fung von For­schungs­groß­ge­rä­ten erwor­ben wor­den und konn­ten nach Test­läu­fen im Labor nun erst­mals im Frei­land genutzt wer­den – für der­ar­ti­ge Zwe­cke sind sie auch kon­zi­piert und ent­spre­chend bean­tragt worden.

Die Auto­ren die­ses Bei­trags über­nah­men den Trans­port die­ser Gerä­te und deren Auf- und Abbau im Gelän­de. Die Ana­ly­se­ge­rä­te lie­fen wäh­rend der drei­wö­chi­gen Dau­er des Expe­ri­ments feh­ler­frei und lie­fer­ten umfang­rei­che Daten­sät­ze, die nun von den Pro­jekt­ver­ant­wort­li­chen aus­ge­wer­tet wer­den. Nach einer Zusam­men­schau der Resul­ta­te sol­len die wesent­li­chen Befun­de in hoch­ran­gi­gen Fach­zeit­schrif­ten publi­ziert wer­den. Es ist zu hof­fen, dass – im Gegen­satz zu der­zeit gän­gi­ger popu­lär­wis­sen­schaft­li­cher Lite­ra­tur über Bäu­me und Wäl­der, in der für Außen­ste­hen­de nur schwer dif­fe­ren­zier­bar Fak­ten mit Mythen ver­mischt wer­den – Erkennt­nis­se aus der­ar­ti­gen Pro­jek­ten auch in der brei­te­ren Öffent­lich­keit zu einem tie­fe­ren und natur­wis­sen­schaft­lich fun­dier­ten Ver­ständ­nis der span­nen­den Zusam­men­hän­ge in Wal­döko­sys­te­men füh­ren werden.

Prof. Dr. Frank Tho­mas, Bern­hard Backes, Prof. Dr. Wil­ly Werner/Geobotanik der Uni­ver­si­tät Trier

Wei­te­re Informationen:

Zur Kri­tik an popu­lär­wis­sen­schaft­li­cher Lite­ra­tur über Bäu­me und Wäl­der: http://blogs.faz.net/blogseminar/die-wahrheit-ueber-den-deutschen-wald/comment-page-2/

Zum Arti­kel im Uni­jour­nal (Sei­te 28)

Blick auf den Pfyn­wald mit dem Bereich des Unter­su­chungs­stand­orts (oran­ge­far­be­ne Mar­kie­rung). Im Vor­der­grund: Fluss­bett der Rho­ne; im Hin­ter­grund: Gorwetsch­grat. Foto: Frank Thomas

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