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Dokumentinformationen
Autor(en): Michaela-Maria Hirschberg, Martin Kennel, Annette Menzel, Stephan Raspe
Originalartikel: Hirschberg, M.-M.; Kennel, M.; Menzel, A.; Raspe, S. (2003): Klimaänderungen unter forstlichem Aspekt. LWFaktuell Nr. 37, Seite 8-13.
Online-Version: Stand: 03.01.2007
Redaktion: LWF, D
Verfügbare Sprachen: Druckansicht  deutsch

Klimaänderungen unter forstlichem Aspekt

Was ändert sich für den Wald?

Die Mitteltemperatur hat sich im letzten Jahrhundert deutlich erhöht und hat in den Wäldern bereits messbare Wirkungen gezeigt. In Bayern sagen die Prognosen der regionalen Klimamodelle im 21. Jahrhundert für die Winter geringfügige Erwärmungen voraus, der Niederschlag hingegen wird kräftig zunehmen. Im Südwesten soll es wärmer und noch niederschlagsreicher als im übrigen Bayern werden. Im Sommer wird die Temperatur in ganz Bayern stark ansteigen, überproportional wiederum im Südwesten, der Niederschlag wird zurückgehen. Mögliche Reaktionen des Ökosystems Wald auf dadurch resultierende veränderte Standortfaktoren sollen anhand von Forschungsergebnissen zum Thema diskutiert werden.

Mittlere Blattanzahl je Pflanze abhängig vom Licht
Abb. 1: Mittlere Blattanzahl je Pflanze der sieben Provenienzen in Abhängigkeit vom Licht:
h) volle Einstrahlung, m) Reduktion auf 17 %, d) Reduktion auf 3 %
und in Abhängigkeit von der der CO2-Konzentrationen:
h, m und d mit 350 ppm und hc, mc und dc mit 650 ppm. (verändert nach KRIEBITZSCH et al. 1999).

Obwohl die ökologischen Ansprüche der Hauptbaumarten in Bayern gut bekannt sind, muss man im Rahmen der prognostizierten Klimaänderungen nun die Wirkung der einzelnen Klimafaktoren wie

abschätzen und das Wachstumsverhalten der Bäume unter diesen veränderten Standortbedingungen untersuchen.

Licht

Die terrestrischen Ökosysteme und das Klimasystem sind über den Austausch von Kohlendioxid (CO2)zwischen Vegetation, Boden und der Atmosphäre eng miteinander verbunden. Wechselwirkungen zwischen dem CO2-Gehalt der Luft und dem Lichtangebot haben eine besondere Bedeutung für die Reaktion der Pflanzen auf steigende CO2-Konzentrationen. In einer Laborstudie (KRIEBITZSCH ET AL., 1999) wurden verschiedene Rotbuchen-Provenienzen erhöhtem CO2 und unterschiedlichen Lichtverhältnissen ausgesetzt. Man konnte zeigen, dass die nahezu verdoppelte CO2-Konzentration nur bei höchstem Lichtangebot zu Wuchssteigerungen von 38 % (Blattfläche) bzw. 44 % (Blatttrockengewicht) führte (Abb. 1).

CO2 - Kohlendioxid

Wälder sind Kohlenstoffspeicher im Kreislauf der Natur. Sie wirken derzeit als Kohlenstoffsenken, da genutztes Holz dem Kohlenstoffkreislauf entzogen wird.

Der in den 10,7 Millionen ha Wald Deutschlands in Boden und Biomasse gespeicherte Kohlenstoffvorrat wird auf 2 Gt C geschätzt, wovon sich etwa zwei Drittel im Boden und ein Drittel in der Vegetation befinden. Ob diese C-Vorräte auch in Zukunft bleiben werden, wurde im Rahmen des dritten Sachstandsberichts des Intergovernmental Panel on Climate Change untersucht (IPCC, 2001). Nach Modellberechnungen, die allein den CO2-Anstieg der Atmosphäre berücksichtigen, nimmt die gesamte terrestrische Biosphäre bis zur Mitte des 21. Jahrhunderts weltweit 3,6 - 8,7 Gt C pro Jahr zusätzlich auf. Bei Berücksichtigung auch des klimatischen Wandels fällt die Aufnahme von Kohlenstoff um 21 - 43 % geringer aus. Die meisten Modelle zeigen für die zweite Hälfte des 21. Jahrhunderts nur noch eine jährliche Nettoaufnahme von 2 - 4 Gt C, ein Modell sogar eine Abgabe von 0,4 Gt C voraus.

Tagesgang der CO2-Fixierung und der Transpiration
Abb. 2: Berechneter Tagesgang der CO2-Fixierung (oben) und der Transpiration (unten) im „Kronendach“ verschiedener Waldtypen in 865 m (jeweils obere Bildreihe) und 1360 m (jeweils untere Bildreihe);
dargestellt sind Werte für das heutige Klima (schwarze Punkte) und für ein verdoppeltes CO2-Klima (weiße Punkte) im Juni (verändert nach BAYFORKLIM 1999).
Beim Klicken auf das Bild erhalten Sie eine größere Version.

Wachstumstrends

Höhere Temperaturen steigern nicht nur die Wachstumsraten der Bäume und damit die CO2-Aufnahme sondern auch die Respirationsraten von Kohlenstoff. Damit begrenzt ein höherer CO2-Gehalt die Wachstumsstimulation. In einem Schweizer Modellversuch wurde während vier Jahren die Entwicklung von jungen Fichten und Buchen unter erhöhtem Angebot an CO2 und Stickstoff beobachtet (BRUNOLD ET AL. 2001). Die Ergebnisse zeigen, dass die künftige Entwicklung des Waldes standorts- und baumartenspezifisch ist. Fichten nehmen im Gegensatz zu den Buchen sowohl auf kalkreichem wie auf saurem Boden mehr CO2 auf und wachsen schneller. Deshalb wird angenommen, dass sie gegenüber Buchen konkurrenzstärker werden. Das erhöhte CO2-Angebot wirkte nur am Anfang positiv auf das Wachstum der Bäume. Es wird vermutet, dass danach eine Sättigung der Bäume mit CO2 eintrat.

Das hohe CO2-Angebotführte zudem zu ungünstigen Veränderungen im Holz und Blattgewebe.

Berechnungen für eine CO2-Steigerung bei sonst gleichbleibenden Klimabedingungen (BAYFORKLIM, 1999) führte für verschiedene Bestände im Fichtelgebirge unabhängig vom Bodenwassergehalt zu einer vermehrten Nettophotosynthese und verminderter Bestandestranspiration. Letztere wurde durch physiologische Adaptation weiter reduziert. Abb. 2 zeigt die berechnete CO2-Fixierung und die Transpiration für verschiedene Waldtypen für das heutige Klima und für ein zukünftiges Klima mit verdoppeltem CO2. Durch den Einfluss erhöhter CO2-Konzentrationen am Nachmittag kommt es offenbar zu einer Wassereinsparung, da die stomatäre Leitfähigkeit und die Transpiration eingeschränkt werden. Da gleichzeitig die Photolyse ansteigt, nimmt die Effizienz der Ausnutzung von Wasser und Licht zu. KOSLOWSKI ET AL. (1991) geben für Laubbäume als günstigsten Temperaturbereich für die optimale Nettophotosynthese einen Bereich von 15 - 25°C, für Nadelbäume von 10 - 25°C an. Erst bei einer Temperaturzunahme über dieses Optimum hinaus steigt die Atmung bei zunächst gleichbleibender Bruttophotosynthese stark an, so dass dies zu Kohlenstoffverlusten in der Pflanze führt. GRACE (1988) beschreibt bei einem Anstieg von 1 K eine Zunahme der Pflanzenproduktion um 10 %. Nach SAXE ET AL. (2001) ist eine Erwärmung von 2 K noch nutzbringend für die Bäume, obwohl man dabei individuelle Unterschiede berücksichtigen muss. Die ausreichende Wasserversorgung hat unter Feldbedingung mehr Einfluss auf die Nettophotosynthese als die Temperatur und führt damit zu Wachstumsreaktionen. Durch Düngungs- und Bewässerungsexperimente konnten enorme Produktionszuwächse erreicht werden (BENSON ET AL., 1992).

Studien mit einem Waldwachstumssimulator, der positionsabhängig und standortssensitiv das Wachstum von Einzelbäumen simuliert, wurden für verschiedene Behandlungsstrategien auf Bestandesebene durchgeführt (PRETZSCH 2002). Dabei wurde getestet, wie sich das Waldwachstum in einem geänderten Klima verhalten würde. Klimaparameter werden für ein zukünftiges Klima mit einer Temperaturzunahme von 2 K, einer Niederschlagsabnahme von 10 % während der Vegetationszeit zusammen mit einer Verlängerung der Vegetationsperiode von 10 Tagen angesetzt. Abb. 3 zeigt die simulierten Veränderungen der Oberhöhe repräsentativer Fichtenbestände in Bayern im Alter von 100 Jahren unter gegenwärtigem und zukünftigem Klima. Die Baumhöhen der Fichte werden 40 m nicht mehr übersteigen. Die Fichte zeigt in Gebieten, in denen sie sich dann am Rand ihrer ökologischen Amplitude befindet, deutliche Wachstumsrückgänge (Tab. 1).

Entwicklung Oberhöhe Fichten heute und Simulation Zukunft
Abb 3: Oberhöhe h100 repräsentativer Fichtenbestände in den bayerischen Wuchsbezirken im Alter von 100 Jahren unter gegenwärtigen Klimabedingungen (links) und Reaktion der Oberhöhe auf Klimaveränderungen (rechts);
unterstellt wurde ein Anstieg der Temperatur in der Vegetationszeit um 2°C, ein Rückgang des Niederschlags in der Vegetationszeit um 10 % und eine Verlängerung der Vegetationszeit um 10 Tage (verändert nach PRETZSCH 2002).

Vergleichsrechnungen für die Kiefernbestände in Bayern zeigen in allen bayerischen Wuchsbezirken bei gleichbleibenden Niederschlagsverhältnissen und ansteigenden Temperaturen positive, jedoch insgesamt geringe Änderungen des Höhenwachstums und des durchschnittlichen Gesamtzuwachses.

Bei Fichte waren bei einer Temperaturerhöhung von 2 K und Rückgang des Niederschlages um 10 % Abnahmen der Wuchsleistung von bis zu 45 % festzustellen. Im Gegensatz dazu reagiert die Kiefer dank ihrer breiten ökologischen Amplitude mit geringeren Wuchseinbußen besonders auf sommertrockenen oder nährstoffarmen Standorten. KÜSTERS (2002) stellt aber insgesamt fest, dass die Kiefer auch bei zunehmenden Temperaturen und niedrigeren Niederschlägen während der Vegetationszeit in der Lage ist, zu überleben und trotzdem weiterhin befriedigende Massenleistungen zu erbringen.

Ein anderer Weg, um die Auswirkungen von Klimaänderungen in der Zukunft zu studieren liegt im Studium der Prozesse in der Vergangenheit. Im Rahmen des Bayerischen Klimaforschungsprogramms wurde anhand von Pollendiagrammen für die letzten 7.000 - 13.000 Jahre die Zusammensetzung des Bergmischwalds und die Verbreitung des Schneeheide-Kiefernwaldes (Calamagrostio-Pinetum) im Werdenfelser Land untersucht (BAYFORKLIM, 1999). Bei langfristigen Schwankungen der jährlichen Mitteltemperatur um 1 - 2 K ergab sich als wichtigstes Ergebnis, dass auf solchen Extremstandorten der lichte Kiefern- und Latschenwald erhalten blieb trotz natürlicher Konkurrenz von den in der Zwischenzeit eingewanderten Fichten, Tannen und Buchen. Auf die Baumartenzusammensetzung konnte ein nur geringer Einfluss des Klimas trotz einer Abtrocknungsphase zwischen 1.800 v. Chr. und 250 n. Chr. festgestellt werden.

Wasserhaushalt

Das Wachstum wird in starkem Maße vom Bodenwassergehalt und von der Verfügbarkeit der Nährstoffe beeinflusst. Eine Klimaänderung kann in einigen Gebieten zu Trockenheit führen und damit zu geringerem Bodenwassergehalt. Der Bodenwassergehalt reagiert sehr schnell auf Veränderungen der Menge und der Verteilung von Niederschlägen sowie Temperaturänderungen, die sich auf die Evapotranspiration auswirken.

Modellberechnungen auf grundwasserfernen Standorten aus Brandenburg ergaben eine Verminderung der Versickerung bei Temperaturanstieg und Niederschlagsrückgang (SUCKOW ET AL., 2002 und LASCH ET AL., 2001). Unabhängig von der Art der Bewirtschaftung führte dies zu einem Rückgang der Versickerungsraten und damit der Grundwasserneubildung aufgrund des steigenden Transpirationsbedarfs.

Auswirkungen auf den Bodenwassergehalt wurden im Rahmen des Bayerischen Klimaforschungsprogramms mit einem Wasserhaushaltsmodell untersucht. Eine große Schwierigkeit dieser Art Modelle besteht darin, dass die gewählten Parametrisierungen für einzelne Wuchsgebiete immer noch zu grob sind und es damit zu widersprüchlichen Ergebnissen kommen kann. Für einen mittelalten Fichtenbestand im Werdenfelser Land ergaben Abschätzungen für eine zukünftiges Klima mit doppelter CO2-Konzentration als „schlechtestem Fall“ einen leichten Rückgang der mittleren Transpiration von 311 mm/Jahr auf 266 mm/Jahr sowie eine Zunahme der Trockenstresstage von 2 auf 69/Jahr.

In Freilandversuchen wurden verschiedene Rotbuchen-Provenienzen auf ihre Sensitivität gegenüber Trockenstress untersucht. Dabei konnte festgestellt werden, dass die Bäume einiger Standorte Regelmechanismen zur Kompensation von Trockenstress ausbilden (SCHRAML und RENNENBERG, 2002).

Mittels dendroökologischer Untersuchungen an den Baumarten Fichte, Tanne und Buche konnte anhand von Klimadaten die langfristige Wuchsreaktion auf die sich jährlich ändernden, witterungsabhängigen Wachstumsbedingungen untersucht werden (BAYFORKLIM, 1999). Dazu wurden tägliche Wasserbilanzen abgeschätzt. Der Radialzuwachs im Zeitraum von 1880 - 1995 war vor allem dann beeinträchtigt, wenn Wassermangel zu Zeiten der Reservestoffspeicherung im Hoch- und Spätsommer des Vorjahres auftrat. Zu Wachstumseinbrüchen im Trockenjahr selbst kam es nur in extremen Jahren, wenn der Wassermangel schon früh einsetzte.

Sensitivität der Fichte gegenüber Klimaänderungen
Tab 1: Sensitivität der Fichte gegenüber Klimaänderungen; h100 ist die Mittelhöhe im Alter von 100 Jahren. Für jede Wuchsregion ist die prozentuale Abnahme des Oberhöhenwachstums (ho100), der durchschnittliche Gesamtzuwachs im Alter 100 (dGZ100) und der durchschnittliche Wertzuwachs im Alter 100 (dGZW100) angegeben (verändert nach PRETZSCH und URSK 2002).

Nährstoffe

Ein Klimaänderung wird aber nicht nur den Wasserhaushalt der Ökosysteme sondern auch ihren Nährstoffhaushalt beeinflussen.

Wenn sich die Bedingungen für das Pflanzenwachstum durch Erwärmungen und eine weiter mit CO2 angereicherte Atmosphäre verbessern, gehen die Bodennährstoffe verstärkt zurück (SHAVER ET AL., 1992). Die Verfügbarkeit der Nährstoffe ändert sich, wenn sich die Umsetzung und Mineralisierung ändert, was Auswirkungen auf die Bodenmikroorganismen hat. Bei extremer Trockenheit verändern sich auch die Bodenbildungsprozesse und damit die Bildung sekundärer Minerale. Im Rahmen einer Untersuchung des Stickstoffhaushalts von Gebirgswaldböden wurden verschiedenen Bodenmonolithe (Rohhumus RH bzw. Moder MO) in ein um 2 K wärmeres Klima verbracht (BAYFORKLIM, 1999). Als Ergebnis konnte man feststellen, dass schon eine Erwärmung um 1 - 2 K die Stickstoff-Mineralisation und die Nitrifikation beschleunigt.

Eine erhöhte Temperatur führt zu erhöhter Transpiration und gegebenenfalls zu Wassermangel in der Pflanze. Niederschlagsdefizite bedingen Versauerungsschübe im Boden und damit Schäden im Wurzelbereich.

Vor allem durch die Intensivierung der Landwirtschaft und durch die Zunahme des Straßenverkehrs steigt die Stickstoffversorgung derart, dass das Wachstum der Waldbäume in Mitteleuropa nicht mehr durch Stickstoffmangel limitiert ist. Heutige Stickstoffeinträge bewegen sich zwischen 5 - 100 kg/ha/Jahr. In den Wäldern Bayerns wurden Stickstoffeinträge von 8 bis 28 kg/ha/Jahr beobachtet (KÖLLING und NEUSTIFTER, 1997). Sie erreichen damit etwa 50 % des jährlichen bestandsinternen Stickstoffkreislaufes mit Nadelfall und übertreffen damit deutlich den Bedarf, der für den reinen Holzaufbau nötig ist.

Fazit

Als Fazit lässt sich herausstellen, dass schon viele Beiträge über Auswirkungen von Klimaänderungen existieren, aber ein integraler Ansatz im regionalen Maßstab für Bayern aus wissenschaftlicher Sicht noch etwas verfrüht ist. In den letzten Jahren wurden allerdings viele interdisziplinäre Ansätze entwickelt und im Rahmen von Sensitivitätsstudien getestet.

Generell sind die Ergebnisse in Deutschland beziehungsweise Bayern noch zu vereinzelt und nicht auf alle Gebiete übertragbar. Modellsimulationen sagen für das 21. Jahrhundert bis etwa 2050 eine Zunahme der Senkentätigkeit der Wälder um 3,6 - 8,7 Gt C/a und eine Abnahme auf 2 - 4 Gt C/a in der zweiten Jahrhunderthälfte voraus.

BayFORKLIM
Im Bayerischen Klimaforschungsverbund BayFORKLIM kooperieren in intensiver interdisziplinärer Zusammenarbeit bayerische Universitäten, Großforschungsinstitute und Fachbehörden mit dem Ziel,

„Klimaänderungen in Bayern und ihre Auswirkungen auf Mikroorganismen, Pflanzen, Tiere und den Menschen“

zu untersuchen. BayFORKLIM steht gleichzeitig auch für das Bayerische Klimaforschungsprogramm, das zur Verfolgung dieser Ziele definiert wurde und zu dem verschiedenste Disziplinen wie Meteorologie, Physik, Biologie, Chemie, Hydrologie, Geographie, Medizin sowie Land- und Forstwissenschaft beitragen. Die finanzielle Förderung erfolgt durch vier Bayerische Staatsministerien

Die Grundzüge des regionalen und lokalen Klimas werden vielfach durch die Topographie und die Landnutzung beeinflusst. Diese variieren gerade in Bayern außerordentlich, deshalb sind im Freistaat auch differenziertere Klimaveränderungen und Auswirkungen zu erwarten als in anderen Bundesländern.Zur vorsorgenden Entwicklung von Vermeidungs- und Anpassungsstrategien auf regionaler Basis soll BayFORKLIM die naturwissenschaftlichen Grundlagen schaffen.

Als Konsequenz der Untersuchungen ist festzustellen, dass die Umsetzung und Speicherung von atmosphärischem CO2 in der Biosphäre stark von den Lichtverhältnissen abhängt. Unter dem Einfluss erhöhter CO2-Konzentration kommt es allerdings zu einer Wassereinsparung durch verminderte Transpiration und Leitfähigkeit und damit zu einer zunehmenden Effizienz der Ausnutzung von Wasser und Licht.

Fichten können vom zunehmenden CO2-Angebot profitieren. Bei verändertem wärmeren und niederschlagsarmen Klima zeigen sie jedoch einen Rückgang in der Oberhöhe und im Gesamtzuwachs. Abschätzungen für den Wasserhaushalt unter verändertem Klima ergaben einen leichten Rückgang der Transpiration und eine Zunahme der Trockenstresstage.

Obwohl auch die Kiefer auf die Klimaänderungen reagiert, ist sie in der Lage, weiterhin befriedigende Massenleistungen zu erbringen. Auf armen sandigen Standorten muss man mit einem Rückgang der Versickerungsraten und damit der Grundwasserneubildung aufgrund des steigenden Transpirationsbedarfs rechnen.

Fichte, Tanne und Buche reagieren auf Wassermangel zu Zeiten der Reservestoffspeicherung erst im Folgejahr. Bei extremer Trockenheit werden die Stickstoff-Mineralisation und die Nitrifikation beschleunigt. Stickstoffeinträge in bayerische Wälder erreichen etwa 50 % des internen Umsatzes und übertreffen den Bedarf für den Holzaufbau.

Literatur

BAYFORKLIM (1999): Klimaänderungen in Bayern und ihre Auswirkungen. Bayerischer Klimaforschungsverbund, Abschlußbericht, München, 1-90.

BENSON, M. L. ET AL. (1992): Dynamics of stem growth of Pinus radiata as affected by water and nitrogen supply. Forest Ecology and Management, 52, 117-137.

GRACE, J. (1988): Temperature as a determinant of plant productivity. 91-107.

IPCC (2001): Climate Change 2001: The Scientific Basis. Contribution of the Working Group I to the Third Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. 1-881.

KÖLLING, C. und NEUSTIFTER, H. (1997): Stickstoffeintrag in Wäldern und Nitratkonzentration im Sickerwasser. AFZ/Der Wald, 20/1997, 1107-1110.

KOZLOWSKI, T. T. et al. (1991): The physiological ecology of woody plants. San Diego, Academic Press.

KRIEBITZSCH, W. U. ET AL. (1999): The influence of elevated CO2 on growth parameters of various provenances of European beech (Fagus sylvatica L.) at different irradiance. Forstwissenschaftliches Centralblatt, 118, 51-65.

KÜSTERS, E. (2002): Wachstumstrends der Kiefer in Bayern. Dissertation, TU München, 1-187.

LASCH, P. ET AL. (2001): Regional impact assessment on forest structure and functions under climate change - the Brandenburg case study. Forest Ecology and Management, 162, 73-86.

PRETZSCH, H. (2002): Application and evaluation of the growth simulator SILVA 2.2 for forest stands, forest estates and large regions. Forstwissenschaftliches Centralblatt, 121, 28-51.

SAXE, H. ET AL. (2001): Tree and forest functioning in response to global warming. New Phytologist, 149, 369-399.

SCHRAML, C. und RENNENBERG, H. (2002): The different reactions of beech tree (Fagus sylvatica L.) ecotypes to drought stress. Forstwissenschaftliches Centralblatt, 121, 59-72.

SHAVER, R. G. ET AL. (1992): Global Change and the carbon balance of arctic ecosystems. BioScience, 42, 433-441.

SUCKOW, F. ET AL. (2002): Auswirkungen von Klimaveränderungen auf die Grundwasserneubildung. In: Eberswalder Forstliche Schriftenreihe 4, 36-51.

Ergänzung

Dieser Beitrag entstand im Zusammenhang mit weiteren Beiträgen zu diesem Thema:

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Letzte Änderung: 03.01.2007
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