Eidg. Forschungsanstalt für Wald, Schnee und Landschaft WSL

Bäume im Hitzestress: Forschende entschlüsseln Reaktion von Bäumen auf extreme Temperaturen

Bei Temperaturen über 30 °C steigt bei Bäumen der Wasserverlust, während die CO₂- Aufnahme sinkt. Auch dann, wenn genügend CO₂ in der Atmosphäre vorhanden ist. Das konnten Forschende der Eidg. Forschungsanstalt Wald, Schnee und Landschaft WSL in einer Studie dank einer neuen Hightech-Anlage zeigen. Diese Erkenntnis ist wichtig, um Anpassungen von Bäumen auf den Klimawandel und die damit verbundenen steigenden Temperaturen zu verstehen.

Ein belaubter Zweig einer Traubeneiche (Quercus petraea) ist in einer Blattgasaustauschküvette eingeschlossen. Die Küvette ist auf Lichtintensität, Temperatur, Dampfdruckdefizit (VPD) und CO₂-Konzentration eingestellt. (Foto: Deborah Wyss)

Der Klimawandel führt dazu, dass Pflanzen in Zukunft vermehrt hohen Temperaturen ausgesetzt sind. Wie sich Bäume künftigen extremen Temperaturen anpassen, haben Forschende der WSL in einer neuen Studie untersucht. Die Wissenschafterinnen und Wissenschafter konnten in Experimenten beobachten, dass die CO₂-Aufnahme für die lebenswichtige Fotosynthese, bei der Zucker aus Sonnenlicht entsteht, artübergreifend ab einer Temperatur von 30°C abnimmt, während der Wasserverlust weiterhin ansteigt. Dank der neuen Experimentier-Anlage «XiBox» (siehe Kasten) war es möglich, das Wasserdampfdruckdefizit (VPD) konstant zu halten und die Temperatur kontinuierlich zu erhöhen.

Grenze in der Biochemie

Blick durch das Fenster des Raums in der Forschungseinrichtung XiBox. (Foto: Haoyu Diao, WSL)

Bemerkenswert ist, dass die CO₂-Aufnahme auch dann reduziert wird, wenn eigentlich genügend CO₂ in der Luft und in den Blättern vorhanden ist. «Es konnte ausgeschlossen werden, dass die Verringerung der CO₂-Aufnahme bei hohen Temperaturen auf eine Begrenzung der CO₂-Verfügbarkeit zurückzuführen ist. Das deutet darauf hin, dass es ab etwa etwa 30 °C eine Grenze in der Biochemie der Bäume gibt», sagt Studienleiter Marco Lehmann. Diese Limitierung sei wohl auf eine Beeinträchtigung der enzymatischen Prozesse der Fotosynthese zurückzuführen, so Lehmann.

Gleichzeitig verliert die Pflanze im Verhältnis zur CO₂-Aufnahme viel Wasser. «Bei Hitze findet also eine sehr ineffiziente Fotosynthese statt», sagt Lehmann. Eine ineffiziente Fotosynthese über einen längeren Zeitraum könne das Wachstum, die Entwicklung und die Anpassungsfähigkeit von Bäumen oder Pflanzen stark beeinträchtigen und sich letztlich auf das gesamte Waldökosystem auswirken.

In ihrer Studie untersuchten die Forschenden die Baumarten Buche (Fagus sylvatica), Fichte (Picea abies), Traubeneiche (Quercus petraea) und Winterlinde (Tilia cordata). «Alle reagierten gleich. Es gab keine signifikanten artspezifischen Unterschiede», sagt Lehmann.

 

Auswirkungen des Klimawandels verstehen

Im Stabilisotopenanalysatoren werden stabile Isotope analysiert. Diese sind besonders wichtig, um Informationen über die Gasdiffusionsprozesse im Inneren des Blattes zu erhalten. (Foto: Haoyu Diaon, WSL)

Mithilfe der XiBox konnten die Forschenden die Pflanzen unter kontrollierten Bedingungen verschiedenen Umweltbedingungen aussetzen und mittels Gaswechsel und Isotopenmessungen verfolgen, wie sich die Pflanzen verhalten. Isotope sind unterschiedlich schwere Varianten von Atomen, die in der Natur vorkommen. Kohlenstoff beispielsweise enthält leichte und schwere Varianten von Kohlenstoff-Atomen. Das Verhältnis zwischen leichten und schweren Isotopen verändert sich, wenn CO₂ von der Pflanze aufgenommen wird. «Eine isolierte Betrachtung der Effekte von Temperatur und Feuchtigkeit auf den Gasaustausch von Bäumen mit der Atmosphäre ist eine komplexe Herausforderung, da beide Klimaparameter eng miteinander verbunden sind», sagt Lehmann.

«Die Experimente waren technisch sehr aufwendig. In der XiBox können wir Experimente durchführen und Umweltbedingungen simulieren, die in dieser Form draussen in der Natur kaum realisierbar sind», so Lehmann. Solche Simulationen seien wichtig, um die Anpassungsfähigkeit von Pflanzen und ihren Funktionen an sich verändernde Klimabedingungen und der damit verbundenen steigenden Temperaturen besser zu verstehen und vorherzusagen.

Hightechgerät für die Waldforschung

Die Einflüsse von extremen Klimabedingungen experimentell zu simulieren, ist oftmals schwierig. Für die Forschung ist dies aber unbedingt notwendig, um besser zu verstehen, wie unsere Wälder auf das zukünftige wärmere und teilweise trockenere Klima reagieren. Um die Möglichkeiten für die Waldforschung zu verbessern, haben Forschende der WSL in den letzten Jahren eine neuartige experimentelle Waldforschungsanlage an der WSL aufgebaut. Die einzigartige Anlage trägt den Namen: «XiBox» – Experimental Box for high-resolution plant gas-exchange and isotope research under extreme conditions. Das Herz der XiBox ist die neue, etwa zwei Quadratmeter grosse Klimakammer, welche die Anzucht von Pflanzen verschiedener Arten (z.B. junge Bäume, krautige Pflanzen, Gräser) unter verschiedenen Kombinationen aus Licht, relativer Luftfeuchte- und Temperaturbedingungen ermöglicht. Neu ist, dass die Pflanzenanzucht und -behandlung unter optimalen Lichtbedingungen und unter Temperaturen von bis zu 40°C durchgeführt werden kann. Die XiBox ist ausgestattet mit modernen hochpräzisen Gaswechselmessgeräten für die Messung von CO2 und Wasser Flüssen, sowie mit Laserspektrometer für die Analysen von Kohlenstoff-, Sauerstoff- und Wasserstoffisotopenverhältnissen in CO2 und Wasser. Flüsse und Isotope können zeitgleich und in Echtzeit mittels eines Ventilschaltsystems gemessen werden. Dies ermöglicht es, Pflanzenreaktionen auf Umweltbedingungen zu beobachten. Die XiBox ist zudem ausgestattet mit Elektrik, Wasser, Internet, Mess- und Kalibrationsgasen, und einer Klimaanlage.

Weitere Informationen zur Anlage

Das Dampfdruckdefizit (Vapor Pressure Deficit, VPD) ist einer der wichtigsten Einflussfaktoren auf die Transpiration von Pflanzen. Was es ist und warum seine Zunahme in den letzten Jahren die Aufmerksamkeit der Ökophysiologen erregt, wird hier erklärt.

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