Doktorarbeit

Forest response to climate warming and drought in Europe

Mirela Beloiu Schwenke (09/2017-08/2021)

Betreuer: Carl Beierkuhnlein, Jörg Ewald, Cyrus Samimi, Sigrid Liede-Schumann

Die globale Oberflächentemperatur der Erde steigt mit einer alarmierenden Geschwindigkeit an und globale Erwärmung und Dürre in Kombination bedrohen Ökosysteme weltweit. In den letzten Jahren wurde die nördliche Hemisphäre von Dürre und Hitzewelle heimgesucht - mit verheerenden ökologischen und wirtschaftlichen Folgen. Diese Katastrophen, die einst als seltene Ereignisse angesehen wurden, haben in den letzten Jahren in Häufigkeit, Intensität und Dauer deutlich zugenommen. Wälder sind von großer ökologischer und wirtschaftlicher Bedeutung für das reibungslose Funktionieren natürlicher und anthropogener Systeme. Daher ist die beobachtete Anfälligkeit der Wälder für die zunehmende Erwärmung und Dürren sehr besorgniserregend. Es besteht ein dringender Bedarf, die Beeinflussung der Wälder durch den Klimawandel zu untersuchen. Diese Doktorarbeit zielt darauf ab, das aktuelle Verständnis und Wissen über die Veränderung von Wäldern als Reaktion auf Klimaerwärmung und Trockenheit zu erweitern. Um dieses Ziel zu erreichen, fokussiert sich diese Doktorarbeit auf zwei Hauptpunkte: (1) die Untersuchung von Artendynamiken unter dem Klimawandel und (2) die Bewertung der Auswirkungen von Trockenheit auf Jungbäume und ausgewachsene Bäume verschiedener Baumarten in Europa. Durch empirische Forschung und die Anwendung verschiedener methodischer Ansätze trage ich dazu bei, internationale Führungskräfte, Forstmanager und -praktiker mit konkreten Informationen zu versorgen, um ihre Entscheidungsfindung, Politik und Schutzmaßnahmen zu unterstützen. Hohe Temperaturen und veränderte Niederschlagsmuster werden voraussichtlich zu Veränderung der Klimazonen und damit zu großräumigen Verschiebungen der Vegetationszusammensetzung führen. Daher ist zu erwarten, dass sich die Verbreitungsgebiete von Arten in höhere Lagen oder höhere Breitengrade verlagern, wenn sich ihr klimatisches Optimum räumlich verschiebt. Nicht alle Baumarten können jedoch mit diesen Veränderungen Schritt halten, und werden unter Adaptionsdruck gesetzt, was Anpassungsstress verursacht. Trotz intensiver Forschung ist immer noch unklar, wie Baumarten auf die globale Erwärmung reagieren. Baumgrenzen stellen ein ideales Modellsystem zur Beantwortung dieser Fragen dar. Baumgrenzen gelten als Sensoren für den Klimawandel, weil zu erwarten ist, dass sie relativ schnell auf ein sich erwärmendes Klima reagieren. Aus diesem Grund möchte ich in den Manuskripten 1 und 2 einen Beitrag zum aktuellen Verständnis leisten, wie Baumarten auf die Klimaerwärmung reagieren, indem ich Untersuchungen an Baumpopulationen von entlegenen Gebirgsregionen in Europa durchführe. In Manuskript 1 untersuchte ich die Baumgrenzen-Dynamik anhand von in-situ-Messungen an Zirbelkiefer (Pinus cembra L.) in zwei verschiedenen Schutzgebieten in den Karpaten. Mit Hilfe von räumlicher Statistik wurden Ähnlichkeiten und Unterschiede in der räumlichen Struktur zwischen den beiden Pinus cembra-Populationen ermittelt. In Manuskript 2 beurteilte ich die Baumgrenzen-Dynamik im Samaria-Nationalpark auf der semiariden Mittelmeerinsel von Kreta. Durch die Verwendung historischer und aktueller hochauflösender Luftbilder konnte ich die räumlich-zeitliche Baumdynamik der letzten 70 Jahre analysieren. Im Gegensatz zu den Karpaten, wo die Ergebnisse auf eine Verschiebung von Bäumen in höhere Lagen in dem seit 1935 geschützten Gebiet hindeuteten, wurde in den Bergen auf Kreta keine Verschiebung der Baumgrenze beobachtet. Dementsprechend gibt das Ausbleiben der klimabedingten Migration Anlass zur Sorge über die Bedrohung durch zukünftige Erwärmung, Trockenstress und Waldbrände. Daher sollten Naturschutzmanager Optionen und Strategien zur Unterstützung des adaptiven Managements in Erwägung ziehen. Neben Vegetationsverschiebungen wirken sich Klimaerwärmung und Dürreereignisse direkt auf die Waldökosysteme in Europa aus. Die derzeitigen Forsten wurden im viel kälteren Klima des 18. und 19. Jahrhunderts angelegt, während heutige Sämlinge und Setzlinge unter wärmeren Bedingungen etabliert werden. Daher fanden Keimung und Etablierung unter unterschiedlichen klimatischen Bedingungen statt. Es ist nachgewiesen, dass eine Zunahme der Häufigkeit und Intensität von Dürren zu abrupten Veränderungen der Artenzusammensetzung und der Waldfunktionen führen kann. Zur Beurteilung der artenspezifischen Reaktionen auf Trockenheit werden europäische Wälder der gemäßigten Zonen als optimales Ökosystem betrachtet, da sie im Vergleich zu anderen Ökosystemen der gemäßigten Zonen sehr empfindlich auf Trockenstress reagieren. Daher habe ich in den Manuskripten 3 und 4 eine umfassende Quantifizierung der Auswirkungen der Sommerdürren im Jahr 2018 und 2019 auf Jungbäume in gemäßigten Wäldern vorgenommen. Die Ergebnisse zeigen, dass Dürre den Bäumen unabhängig von ihrer Größe schadet, sich Jungbäume aber schneller erholten als ältere Bäume. Gleichzeitig führte jedoch die langsame Regeneration der Jungbäume auch teilweise zu deren Absterben. Die Sterblichkeitsrate von Quercus spp. war am niedrigsten während kleinere Laubbaumarten die höchsten Raten aufwiesen (z.B., Stieleiche (Quercus robur) (0%), Traubeneiche (Quercus petraea) (4%), Berg-Ahorn (Acer pseudoplatanus) (5%), Rotbuche (Fagus sylvatica) (6%), Hänge-Birke (Betula pendula) (6%), Hainbuche (Carpinus betulus) (8%), Feldahorn (Acer campestre) (12%), Gemeine Esche (Fraxinus excelsior) (12%), Schwarzer Holunder (Sambucus nigra) (16%), and Vogelbeere (Sorbus aucuparia) (17%)). Artspezifische Reaktionen auf Trockenheit sind der Schlüssel zum Verständnis, welche Arten besser in der Lage sind, mit der Klimaerwärmung und den zu erwartenden Dürreereignissen umzugehen. Diese Ergebnisse sind wichtig für die Entwicklung und Umsetzung von adaptiven Waldbewirtschaftungsstrategien, um die Auswirkungen des Klimawandels zu mildern. Diese Dissertation enthält eine der ersten Abschätzungen der Baumdynamik in den abgelegenen Schutzgebieten der Karpaten und der Gebirge auf Kreta, zusammen mit einer umfassenden Quantifizierung der artspezifischen Reaktion auf Trockenheit in Mitteleuropa. Daher bieten diese vier Studien Naturschützern, Waldmanagern, Interessensvertretern und privaten Grundbesitzern angewandte Informationen zu Baumdynamik und Reaktion von Arten auf Klimaerwärmung und Trockenheit.