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Projektdauer: 2001 - 2014

Alpine Baumgrenzen in einer CO2-reichen und warmen Zukunft

Delivery of CO2
CO2 Lieferung
Foto: Frank Hagedorn.
Treeline ecosystems enriched with CO2
CO2 Erhöhung um Bäume mittels FACE-Technik.
Foto: Frank Hagedorn.

In einem Experiment an der alpinen Baumgrenze erhöhen wir die CO2 Konzentration (+200 ppm) und die Bodentemperaturen (+4°C) und untersuchen die Reaktionen von Pflanzen und Boden. Die ersten Resultate zeigen, dass unter erhöhtem CO2 der Kohlenstoff schneller im Ökosystem umgesetzt wird, sich aber die Menge des in Pflanzen und Boden gespeicherten Kohlenstoffes nicht wesentlich verändert. Durch Erwärmung baut sich der Humus verstärkt ab, wodurch die Ökosysteme zu einer CO2-Quelle werden.

Ausgangslage

In den letzten Jahrzehnten ist der CO2 Gehalt der Atmosphäre um 30% angestiegen. Die höhere Verfügbarkeit von Kohlenstoff kann sich einerseits direkt auf das Wachstum und die Physiologie von Pflanzen auswirken, andererseits steigen wegen des CO2-Anstiegs auch die Temperaturen (Treibhauseffekt), was sich wiederum auf die Ökosysteme auswirkt.
Eine Veränderung des Klimas wirkt sich wahrscheinlich stark auf die Böden kalter Regionen aus, weil viele biochemische Prozesse bei tiefen Temperaturen besonders sensibel auf eine Erwärmung reagieren. Da montane und alpine Böden eine grosse Menge leicht abbaubaren Kohlenstoffs enthalten, ist ihre Reaktion auf ein sich änderndes Klima für die Kohlenstoffbilanz alpiner Ökosysteme besonders wichtig.

Fragestellungen
  • Wie reagiert das Pflanzen- und Baumwachstum auf erhöhte CO2-Konzentration und Temperatur?
  • Wie beeinflussen die veränderten Umweltbedingungen die Konkurrenz zwischen Bäumen, Zwergsträuchern und Gräsern?
  • Wie verändern sich die Kohlenstoff-Flüsse im Boden (Bodenatmung, DOC Auswaschung, Akkumulation in verschiedenen SOM Fraktionen)?
  • Wie wirken sich die Klimaveränderungen auf die Menge und Zusammensetzung der Mikroben im Boden aus?
  • Wirkt sich die Erwärmung des Bodens gleichermassen auf den Abbau des pflanzenbürtigen, leicht abbaubaren Kohlenstoff-Pool und auf den älteren, schwerer abbaubaren Kohlenstoff aus?
  • Wieviel Kohlen- und Stickstoff wird zwischen Bäumen und Mykorhizen ausgetauscht?
  • Wie beeinflusst das zukünftige Klima das Überleben von Keimlingen verschiedener Baumarten?
Methoden

In unserem Experiment in der alpinen Versuchsfläche Stillberg (Davos) erhöhen wir die atmosphärische CO2 Konzentration um 200 ppm und die Bodentemperaturen um 4°C. Je 10 Lärchen und Bergföhren, welche 1975 im Rahmen einer Versuchsaufforstung oberhalb der Waldgrenze gepflanzt worden waren, sind seit 2001 mittels der FACE Technik mit zusätzlichem CO2 versorgt worden (Hättenschwiler et al., 2002). Das zugegebene CO2 stammt aus der Verbrennung fossiler Brennstoffe und enthält weniger 13C Isotopen als das Luft-CO2 (-30‰ vs. -8‰). Diese Isotopensignatur ermöglicht es uns, den von den Pflanzen aufgenommenen Kohlenstoff durch das Ökosystem und den Boden zu verfolgen. Seit 2007 werden Boden und bodennahe Luft mittels 26 m Heizkabel, welche spiralförmig in den 1.1 m2 grossen Versuchsflächen ausgelegt wurden, um 4°C erwärmt.

Partners

Die folgenden Forscher/-innne und Arbeitsgruppen sind am Experiment beteiligt:

  1. CNRE (Centre d'écologie fonctionnelle et évolutive), Montpellier: Stephan Hättenschwiler, Jacques Roy, Tanya Handa. Sämlingsversuche, Streuabbau.
  2. WSL, Team Boden-Biogeochemie: Frank Hagedorn, Sonja Wipf. Kohlenstoff- und Nährstoff-Flüsse in Boden und Pflanzen.
  3. SLF, Team Gebirgswald- und Baumgrenzen, Peter Bebi: Baumwachstum, Sämlingsversuche.
  4. SLF, Team Alpine Ökosysteme, Christian Rixen, Melissa Martin: Baum- und Pflanzenwachstum und –physiologie.
  5. WSL, Dendro-Wissenschaften, Kerstin Treydte, Jan Esper: Pflanzenwasser, 18O
  6. Paul-Scherrer Institute (PSI), Gruppe Ökosystem-Flüsse, Rolf Siegwolf, Matthias Saurer: Stabile Isotope in Pflanzen und Boden.
  7. WSL, Team Rhizosphären-Prozesse, Beat Frey, in Zusammenarbeit mit dem Umweltforschungszentrum Leipzig, Anja Miltner: Mikrobengesellschaften
  8. Universität Basel, Botanisches Institut, Christian Körner, Georges Grun: Kohlenstoff-Haushalt von Bäumen, technischer Support.
  9. Örebro University, Department of Natural Sciences, Alf Ekblad: Kohlenstoff und Stickstoff-Transfer zwischen Pflanzen und Mycorrhiza.
  10. EPFL Lausanne, Edward Mitchell: Testate amoeba
Publikationen
  • Dawes MA, Hagedorn F, Handa IT, Streit K, Ekblad A, Rixen C, Körner C, Hättenschwiler C (2013) An alpine treelines in a CO2-rich world: synthesis of a nine year free air CO2 enrichment study. Oecologia 171, 623-637.
  • Dawes, MA, Hättenschwiler S, Bebi P, Hagedorn F, Handa IT, Körner C, Rixen C (2011). Species-specific tree growth responses to nine years of CO2 enrichment at the alpine treeline. Journal of Ecology 99: 383–394.
  • Dawes MA, Hagedorn F, Zumbrunn T, Handa IT, Hättenschwiler S, Wipf S, Rixen C (2011). Growth and community response of alpine dwarf shrubs to in situ CO2 enrichment and soil warming. New Phytologist 191: 806-818
  • Dieleman W, Vicca, S., Dijkstra F, Hagedorn F, Hovenden M, Larsen K, Morgan J, Volder A, Beier C, Dukes J, King J, Leuzinger S, Linder S, Oren R, Tingey D, Hoosbeek M, Lup Y, Janssens I (2012) Simple additive effects are rare: a quantitative review of plant biomass and soil process responses to combined manipulations of CO2 and temperature. Global Change Biology 18, 2681-2693. doi: 10.1111/j.1365-2486.2012.02745.x
  • Hagedorn F, Hiltbrunner D, Streit K, Ekblad A, Lindahl B, Miltner A, Frey B, Handa IT, Hättenschwiler S (2013) Nine years of CO2 enrichment at the Alpine treeline stimulates soil respiration but does not alter soil microbial communities. Soil Biology and Biochemistry 57, 390-400.
  • Hagedorn F, Martin M, Rixen C, Rusch S, Bebi P, Zürcher A, Siegwolf RTW, Wipf S, Escape C, Roy J, Hättenschwiler S (2010) Short-term responses of ecosystem carbon fluxes to experimental warming at the Swiss alpine treeline. Biogeochemistry 97, 7-19
  • Hagedorn F, van Hees PAW, Handa IT, Hättenschwiler S (2008) Elevated atmospheric CO2 fuels leaching of old dissolved organic matter at the alpine treeline. Global Biogeochemical Cycles 22. GB2004, doi:10.1029/2007GB003026
  • Hagedorn F, Machwitz M (2007) Controls on dissolved organic matter leaching from forest litter grown under elevated atmospheric CO2. Soil Biology and Biochemistry 39, 1759-1769
  • Handa, I.T., Hagedorn, F., und S. Hättenschwiler 2008. No stimulation in root production in response to four years of in situ CO2 enrichment at the Swiss treeline. Functional Ecology 22, 348-358.
  • Martin M, Gavazov K, Körner C, Hättenschwiler S, Rixen C (2010) Reduced early growing season freezing resistance in alpine treeline plants under elevated atmospheric CO2. Global Change Biology 16, 1057-1070.
  • Müller M, Alewell C, Hagedorn F (2009) Effective retention of litter-derived dissolved organic carbon in organic layers. Soil Biology and Biochemistry 41, 1066-1074.
  • Rixen C, Dawes MA, Wipf S, Hagedorn F (2012) Evidence of enhanced freezing damage in treeline plants during six years of CO2 enrichment and soil warming. Oikos. Doi:10.1111/j.1600-0706.2011.20031.x
  • Streit K, Rinne KT, Hagedorn F, Dawes MA, Saurer M, Hoch G, Werner RA, Buchmann N, Siegwolf RTW (2013) Tracing fresh assimilates through Larix deciduas exposed to elevated CO2 and soil warming at the alpine treeline using compound-specific stable isotope analysis. New Phytologist 197, 838-849.
Links und downloads

Versuchsfläche Stillberg

Projektbeschreibung der Universität Basel (Englisches PDF, 840KB)

Die Waldgrenze (PDF, 481KB)

Publikationsliste

Stichworte alpine Böden, erhöhtes CO2, Klimaveränderung, Kohlenstoff, Nährstoffe, DOC, Atmung, Bodenchemie, stabile Isotope, Temperatur, organische Schichten, Pflanzenökologie, Dendroökologie, Baumgrenze, Baumwachstum

 

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