Vielfalt an Wassernutzungsstrategien von Pflanzen machen Wälder resilienter gegen extreme Dürren

Die Forschenden identifizierten vier Pflanzentypen mit unterschiedlichen Reaktionen auf die erzeugte Dürre: trockentolerante und trockenheitsempfindliche und in diesen beiden Kategorien große, kronenbildende Bäume sowie Unterwuchsarten. „Erstaunlich war die Reaktion zwischen den großen, trockenheitstoleranten und -empfindlichen Bäumen“, erläutert Christiane Werner. Die empfindlichen verbrauchen generell am meisten Wasser, besonders aus dem Oberboden. Da dieser auch am schnellsten austrocknete, litten sie am intensivsten am Wassermangel. 

Entgegen der Vermutung zapften sie aber nicht umgehend Wasserressourcen im tiefen Boden an. „Stattdessen drosselten sie ihren Wasserverbrauch drastisch und griffen erst unter extremer Dürre auf ihre Tiefwasserreserven zurück“, sagt Werner. Damit schonten sie möglichst lange tiefliegende Wasserreserven, auch für die trockenheitstoleranten Bäume.“ Diese hingegen erhielten durch ihren ohnehin geringeren Wasserdurchfluss länger ihr Blätterdach, was wiederum längere Feuchtigkeit im Unterwuchs unterstützte – 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. „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.“ 

Für ihre Erkenntnisse untersuchten die Forschenden die Flüsse von H₂O und CO₂. Sie gaben markiertes ¹³CO₂ und ²H₂O in die Biosphere 2 und verfolgten, wie sich diese Stoffe durch die Bäume, Pflanzen und Böden verteilten. So konnten sie unter anderem beobachten wie intensiv Wasserverbrauch und -durchfluss der Pflanzen war, aus welchen Bodenregionen diese Wasser entnahmen und, wie und wo CO₂ in den Pflanzen und Böden gespeichert und in die Atmosphäre abgegeben wurden. Erstmals wurde ein solches Markierungsexperiment in einem ganzen Wald durchgeführt, was nur innerhalb des abgeschlossenen Systems der Biosphere 2 möglich ist. 

Veränderungen beeinflussen Bodenmikrobiom

So ließ sich bei der Speicherung und Emission von CO₂ unter anderem beobachten, dass die Kohlenstoffspeicherung des Waldsystems sich um circa 70 Prozent verringerte. Das Team der Universität Tübingen um Michaela Dippold und Postdoktorandin Lingling Shi beschäftigte sich vor allem damit, wie sich dies auf die Kohlenstoffvorräte und -umsätze im Boden auswirkt. „Die Pflanzentypen, die sich anhand ihrer oberirdischen Reaktion auf Dürre unterscheiden lassen, reagieren auch unter der Oberfläche äußerst verschieden auf Wasserstress“, erklärt Michaela Dippold. „Manche erhöhen ihren Feinwurzelanteil, andere bilden neue Wurzeln in der Tiefe und wieder andere erhöhen die Wurzelausscheidungen in den tiefen, noch feuchten Bodenhorizonten um von dort Wasser- und Nährstoffaufnahme sicherzustellen.“ 

Solche Veränderungen von Wurzel und wurzelnahem Raum – der sogenannten Rhizosphäre – beeinflussen das Bodenmikrobiom und darüber alle Prozesse des Bodenkohlenstoffkreislaufes. Das Tübinger Team klärte veränderte Interaktionen von Wurzel, Boden und Mikroorganismen unter Trockenstress auf und untersuchte auf Basis der Kombination beider eingesetzter Isotope die komplexe Interaktion von Wasser- und Kohlenstoffkreislauf in der Rhizosphäre von Bäumen. 
„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.

Publikation: 

Ecosystem fluxes during drought and recovery in an experimental forest, Science, doi: https://www.science.org/doi/10.1126/science.abj6789 

Weitere Informationen:

Video: Projektleiterin Professorin Dr. Christiane Werner erläutert die Forschungsarbeiten

Science Perspective: Ecosystem effects of environmental extremes

Mitteilung der Universität Freiburg / Antje Karbe