Können sich unsere Wälder an ein heißeres und trockeneres Klima in der Zukunft anpassen? Laut Prognosen werden die Temperaturen im Vergleich zur vorindustriellen Zeit um bis zu 5°C steigen. Die Waldbewirtschaftung muss sich daran anpassen, und das erfordert ein besseres Verständnis dafür, wie sich Hitze und Trockenheit auf Bäume auswirken. Eine neue Studie der Eidgenössischen Forschungsanstalt für Wald, Schnee und Landschaft (WSL) und der EPFL zeigt, dass die Erwärmung an sich nicht das größte Problem für Bäume darstellt.
Auf dem Gelände der WSL in Birmensdorf (ZH) wachsen seit über fünf Jahren junge Buchen und Flaumeichen in Klimakammern. In diesen Miniaturgewächshäusern (Modell-Ökosystemanlage Modoek) setzten die Forscher die Bäume unterschiedlicher Bodenfeuchtigkeit und Lufttemperaturen aus. Während einige Bäume Trockenheit erfuhren, wuchsen andere bei einer um 5 °C erhöhten Temperatur, um zukünftige Bedingungen zu simulieren, oder mussten sowohl Hitze als auch Trockenheit ertragen.
Die Forscher wählten Buche und Flaumeiche, da diese für die Wirtschaft und die Waldökosysteme Mitteleuropas von Bedeutung sind. «Die Flaumeiche wächst hauptsächlich in mediterranen Gebieten, kommt aber auch in der Schweiz vor. Wir wollten ihre Wassernutzungsstrategie mit jener der Buche vergleichen, einem Baum, der besonders im Jungstadium empfindlicher auf Trockenheit reagiert», sagt Alyssa Therese Kullberg, Pflanzenökophysiologin am Forschungslabor für Pflanzenökologie der EPFL-WSL, die die Studie durchgeführt hat.
Sonnenbrand und Versengung
Sowohl Hitze als auch Trockenheit stellen für Bäume eine Stressquelle dar. Um bei hohen Temperaturen eine Überhitzung zu vermeiden, kühlen sich die Blätter ab, indem sie über ihre Poren Wasser abgeben – ein Vorgang, der dem Schwitzen beim Menschen ähnelt und als Transpiration bezeichnet wird. Ist jedoch das Bodenwasser knapp, schliessen sich die Poren, die Transpiration stoppt und das Blatt wird dauerhaft geschädigt, was als Versengung bezeichnet wird. In dieser Situation stehen Bäume vor der schwierigen Entscheidung, entweder weiter zu transpirieren, um ihre Blätter zu kühlen, oder ihre Poren zu schließen, um Wasser zu sparen.
Im Experiment untersuchten die Forscher die Wärmeregulierung der Bäume, indem sie die Blatttemperaturen maßen, sowie Farbveränderungen infolge von Schäden. Bei direkter Sonneneinstrahlung können die Blattoberflächen Temperaturen von 40–45 °C erreichen. Selbst bei dieser intensiven Hitze scheint ihr Kühlmechanismus zu funktionieren. «Es kann zwar zu leichtem Sonnenbrand an den Blättern mit geringfügigen Schäden am Fotosynthesesystem kommen, doch diese sind in der Regel nur vorübergehend», sagt Kullberg.
Werden sie jedoch denselben Temperaturen in Verbindung mit trockenem Boden ausgesetzt, reicht das Wasser für die Transpiration nicht aus, und die Poren der Blätter schließen sich, um Wasser zu sparen. Die Blätter dehydrieren und überhitzen. Bei Buchen führt dies zu Versengungen, die sich als braune Flecken auf dem geschädigten Blattgewebe zeigen. Eichen verhalten sich jedoch anders:
«Wir haben bei Eichenblättern kaum Versengungen festgestellt, obwohl ihre thermischen Toleranzgrenzen fast genauso häufig überschritten wurden wie die der Buchenblätter», sagt Kullberg. «Mit anderen Worten: Beide Arten erreichten genauso oft kritische Temperaturen, aber die Eiche schien diese Bedingungen besser zu vertragen. Das war eine Überraschung – und lässt sich nicht vollständig durch die Mechanismen erklären, die wir in unserer Studie gemessen haben.»
Die Studie ist die erste, die experimentell belegt, dass es zu dauerhaften Schäden in Form von Versengungen kommt, wenn die Blätter von Bäumen ihre thermische Sicherheitsgrenze überschreiten – das heisst, wenn die Temperatur kritische Werte erreicht. Dies tritt insbesondere unter Trockenheit auf. «Deshalb sind wir von diesem Ergebnis wirklich begeistert», sagt Kullberg.
Trockenere Luft «saugt» mehr Wasser auf
Die Bäume im Versuch werden noch zwei weitere Jahre unter den Versuchsbedingungen wachsen. Mit mehr Daten können die Forscher weiter untersuchen, ob Bäume, die bereits Wassermangel erlebt haben, widerstandsfähiger gegen Hitze und Trockenheit sind, weil sie sich an schwierige Bedingungen anpassen. Mit dem Klimawandel werden extreme Wetterereignissen wie gleichzeitige Hitzewellen und Dürren immer häufiger. Selbst wenn die Niederschlagsmenge stabil bleibt, werden höhere Temperaturen in Zukunft die Verdunstung verstärken, da wärmere Luft mehr Feuchtigkeit aufnimmt. Dadurch trocknen Böden schneller aus als heute, was Bäumen, insbesondere Buchen, Probleme bereitet. Bei den Sommerdürren 2018 und 2022 in der Schweiz kam es beispielsweise bei vielen Buchen auf trockenen Böden zu Blattverbrennungen.