Veränderungen von Natur, Ökologie und Evolution aus Sicht der Pflanzen beurteilen
Die Bayreuther Pflanzenökologen Prof. Dr. Steven Higgins und Dr. Timo Conradi plädieren dafür, die kommenden klimatischen Veränderungen aus der Sicht von Pflanzen zu interpretieren, um die Risiken des Klimawandels für Ökosysteme besser abschätzen zu können. Wenn Informationen über die physiologischen Reaktionen von Pflanzenarten auf veränderte Temperaturen, Bodenwassergehalte und atmosphärische CO2-Konzentrationen berücksichtigt werden, sind die Konsequenzen des Klimawandels für Ökosysteme besser vorhersagbar. Dies berichteten sie am 26.02.2024 gemeinsam mit Urs Eggli, Holger Kreft, Andreas H. Schweiger, Patrick Weigelt in Nature Ecology & Evolution. Solarify publiziert Auszüge.
Dürresommer 2018 westlich von Berlin – Foto © Gerhard Hofmann, Agentur Zukunft
Die Vorhersage der Risiken des Klimawandels für Arten und Ökosysteme ist notwendig, um gezielte Schutzstrategien zu entwickeln. Bisherige Risikobewertungen kartieren die Exposition der globalen Landoberfläche gegenüber Klimaveränderungen. Es ist jedoch unwahrscheinlich, dass mit diesem Verfahren vorrangige Gebiete für Schutzmaßnahmen ermittelt werden können, da nichtlineare physiologische Reaktionen und Kollimationsprozesse*) dafür sorgen, dass ökologische Veränderungen nicht perfekt auf die prognostizierten klimatischen Veränderungen abgestimmt sind.
*)Kollimation (lat. collimare, abgewandelt von collineare: „in gerader Linie führen“) bezeichnet in der Optik die Parallelrichtung divergenter Lichtstrahlen. Die zugehörige Linse heißt Kollimator oder Sammellinse. Eine Autokollimation liegt dann vor, wenn sich hinter dem Kollimator ein Spiegel befindet und die Lichtstrahlen durch dieselbe Linse reflektiert werden. Das Bild bleibt auch dann scharf, wenn die Lage des Spiegels verschoben wird. Die Kollimationsachse ist die durch das Fadenkreuz bestimmte Visier- und Absehlinie des Fernrohrs. Eine Sonderform parallel geführten Lichts stellt der Laser dar. (siehe wikipedia.org/Kollimation)
Hier kombinieren wir ökophysiologische Wachstumsmodelle von mehr als 135.000 Gefäßpflanzenarten und Informationen über Pflanzenwachstumsformen, um das aktuelle und künftige Klima in Phytoklimata umzuwandeln, die die Fähigkeit des Klimas beschreiben, die Pflanzenwachstumsformen zu unterstützen, die terrestrische Ökosysteme charakterisieren. Wir prognostizieren, dass 33% bis 68% der globalen Landoberfläche bis 2070 unter repräsentativen Konzentrationspfaden RCP 2.6 bzw. RCP 8.5 eine signifikante Veränderung des Pflanzenklimas erfahren werden. Es wird prognostiziert, dass auf 0,3-2,2 % der Landoberfläche Phytoklimata ohne heutiges Analogon entstehen und 0,1-1,3 % der derzeit realisierten Phytoklimata verschwinden werden. Das geografische Muster der Veränderung, des Verschwindens und der Neuartigkeit von Phytoklimata unterscheidet sich deutlich von den Mustern analoger Klimatrends, die in früheren Studien ermittelt wurden, was neue Prioritäten für Erhaltungsmaßnahmen setzt und die Grenzen der Verwendung nicht transformierter Indizes für die Exposition gegenüber dem Klimawandel bei ökologischen Risikobewertungen aufzeigt. Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass ein tiefgreifender Wandel der Biosphäre im Gange ist, und unterstreichen die Notwendigkeit einer rechtzeitigen Anpassung der Praktiken zum Schutz der biologischen Vielfalt.
Globale Zirkulationsmodelle (GCM) sagen für das gesamte einundzwanzigste Jahrhundert starke klimatische Veränderungen voraus, und zwar mit Ausnahme der optimistischsten Szenarien für Treibhausgasemissionen. Es wird erwartet, dass die erwarteten klimatischen Veränderungen sowohl kontinuierliche als auch abrupte Veränderungen in der Verteilung von Ökosystemen und Arten bewirken werden. Eine Folge davon ist, dass die Manager von Ökosystemen ihren Schwerpunkt von der Erreichung vordefinierter Ausgangszustände auf das Management von Ökosystemveränderungen entlang von durch den Klimawandel erzwungenen Pfaden verlagern müssen. Allerdings sind die Stärke der klimatischen Einflüsse und die Richtung der neuen Pfade ungewiss, was es den Ökosystemmanagern erschwert, gezielte Maßnahmen zu definieren und umzusetzen. Das Klima verändert sich nicht nur, sondern es ist auch wahrscheinlich, dass Klimazustände ohne heutige Entsprechungen (im Folgenden: neuartige Klimata) entstehen und einige der bestehenden Klimazustände verschwinden werden (im Folgenden: verschwindende Klimata). Es wurde vermutet, dass verschwindende Klimazonen das Risiko des Verlusts von Arten und bestimmten Arten von Ökosystemen erhöhen können, während neuartige Klimazonen zur Bildung neuartiger Ökosysteme führen können. Da die Funktionsweise neuartiger Ökosysteme per definitionem unbekannt ist, würde ihr Entstehen das Risiko eines Versagens des Ökosystemmanagements weiter erhöhen. Daher ist es eine vorrangige Aufgabe der Forschung, Regionen zu ermitteln, in denen der Klimawandel wahrscheinlich starke ökologische Veränderungen erzwingen wird, so dass Ökosystemmanager rechtzeitig und gezielt Maßnahmen ergreifen können.
Um Regionen mit erhöhten ökologischen Risiken durch den Klimawandel zu ermitteln, wurde in früheren Arbeiten die Exposition der globalen Landoberfläche gegenüber potenziell gefährlichen klimatischen Veränderungen analysiert. Dies umfasst Analysen der Exposition von Ökosystemen gegenüber starken klimatischen Veränderungen und global neuartigen Klimata sowie dem Verschwinden bestehender Klimazustände. In diesen Studien wurde die Exposition als euklidischer Abstand zwischen dem gegenwärtigen und dem zukünftigen Klima berechnet, standardisiert durch die historische Veränderbarkeit der Klimavariablen. Eine weitere weit verbreitete Metrik für die Exposition gegenüber dem Klimawandel ist die Geschwindigkeit des Klimawandels, welche die Verschiebungsrate von Klimazuständen quantifiziert, und eine neuere, auf Arten fokussierte Studie hat ermittelt, wo und wann Tierarten Temperatur- und Niederschlagsbedingungen ausgesetzt sein werden, die außerhalb ihrer realisierten Nischen liegen.
Risikobewertungen auf der Grundlage von Indizes für die Exposition gegenüber dem Klimawandel vereinfachen jedoch die Wahrnehmung der Klimaexposition durch einen Organismus zu stark. Frühere Arbeiten zur Exposition gegenüber dem Klimawandel berücksichtigten nicht, dass physiologische und ökologische Reaktionen auf sich ändernde Klimafaktoren oft nicht linear sind und von mehreren Klimafaktoren beeinflusst werden und dass sich die Hierarchien der beeinflussenden Klimafaktoren mit dem Fortschreiten des Klimawandels voraussichtlich neu ordnen werden. Das bedeutet, dass das Risiko des Anstiegs eines Klimafaktors um eine Einheit nicht zwischen Standorten mit unterschiedlichen Ausgangswerten vergleichbar ist und von gleichzeitigen Änderungen der kollimierenden Klimafaktoren abhängt. Weder dieser Basiseffekt noch der Kollimationseffekt werden in Studien zur Exposition gegenüber dem Klimawandel berücksichtigt.
Darüber hinaus weisen einzelne Arten und Wuchsformen unterschiedliche klimatische Präferenzen auf24 und werden daher wahrscheinlich unterschiedlich auf die prognostizierten klimatischen Veränderungen reagieren. Daraus folgt, dass die ökologische Reaktion auf veränderte Klimabedingungen wahrscheinlich nicht perfekt auf die Expositionsindizes für den Klimawandel abgebildet werden kann , was die ökologische Interpretation der Expositionsindizes für den Klimawandel problematisch macht. Probleme bei der ökologischen Interpretation von Expositionsindizes könnten durch den Einsatz von prozessreichen Ökosystem-Simulationsmodellen angegangen werden. Solche Modelle sind ausdrücklich darauf ausgelegt, die Auswirkungen von Klimaveränderungen auf Ökosysteme zu modellieren. Allerdings werden Ökosystem-Simulationsmodelle durch Prozess- und Parameterunsicherheiten behindert, was sich in großen Diskrepanzen zwischen den Ergebnissen verschiedener Modelle zeigt, die mit denselben Klimadaten erzwungen wurden. Daraus folgt, dass die derzeitigen Ansätze zum Verständnis der ökologischen Risiken und Auswirkungen des Klimawandels einen Kompromiss zwischen der Gewissheit, mit der wir Vorhersagen treffen können, und der Fähigkeit, diese Vorhersagen ökologisch zu interpretieren, darstellen. Expositionsindizes haben eine überschaubare Vorhersageunsicherheit, sind aber ökologisch schwer zu interpretieren, während das Gegenteil für Ökosystemmodelle gilt.
Um diesen Zielkonflikt zu verringern, haben wir eine phytoklimatische Transformation der Klimabedingungen der Umgebung (Mittelwert von 1979-2013) und der Zukunft (Mittelwert von 2061-2080; im Folgenden 2070) berechnet. Die phytoklimatische Transformation drückt das Klima einer Gitterzelle in Bezug auf seine Eignung für 14 Pflanzenarten aus, die terrestrische Ökosysteme definieren. Die Transformation basierte auf einem bestehenden Protokoll und beinhaltete
- die Parametrisierung eines ökophysiologischen Pflanzenwachstumsmodells, das mit monatlichen Klimadaten für 135.153 Gefäßpflanzenarten erzwungen wurde,
- die Verwendung der angepassten Artenmodelle, um klimatisch geeignete Gitterzellen für jede Art zu identifizieren, und
- die Berechnung des Anteils der Arten jeder Wachstumsform, für die eine Gitterzelle klimatisch geeignet ist, und die Verwendung dieses Anteils als Index der klimatischen Eignung einer Gitterzelle für eine Wachstumsform.
Wir bezeichnen den Vektor der 14 Wuchsform-Eignungen einer Gitterzelle als ihr Phytoklima. Das heißt, anstatt das Klima eines Ortes durch Klimavariablen wie die mittlere Jahrestemperatur oder den Jahresniederschlag zu beschreiben, beschreiben wir das Klima durch seine Fähigkeit, Arten verschiedener Pflanzentypen zu unterstützen, die Ökologen zur Definition terrestrischer Ökosysteme verwenden. Auf diese Weise lässt sich nachvollziehen, welche strukturellen Veränderungen in den Ökosystemen durch die künftigen klimatischen Bedingungen gefördert werden. Ändert sich beispielsweise die klimatische Eignung einer Gitterzelle für kaltlaubige Bäume von 0,2 auf 0,3, würde dies bedeuten, dass das Klima nun 10 % mehr Arten dieser Wuchsform in dieser Gitterzelle beherbergen kann, was das Potenzial für eine größere Häufigkeit von Arten dieser Wuchsform erhöht.
->Quellen: