FireSwitch: Veränderungen der Artengemeinschaften nach Waldbränden als Chance zur Anpassung an den Klimawandel
Martin Gossner
Marco Moretti
Barbara Moser
Daniel Scherrer
Thomas Wohlgemuth
2023 - 2025
Kooperation FinanzierungDie prognostizierte Zunahme der Häufigkeit von Waldbränden im Zuge des Klimawandels unterstreicht die Notwendigkeit langfristiger Studien über die Baumverjüngung und die Sukzessionsfolge von Bäumen nach Waldbränden. Diese Daten dienen als Grundlage für adaptives Management und Interventionspläne. Es werden zusätzliche Erhebungen zur Vegetation und Arthropoden auf zwei Brandflächen mit unterschiedlichen Umweltbedingungen durchgeführt: Leuk (20 Jahre nach dem Brand und 10 Jahre nach der letzten Erhebung) und Visp (12 Jahre nach dem Brand und 5 Jahre nach der letzten Erhebung). Die Analyse dieser langfristigen Sukzessionsfolgen soll (1) beantworten wie sich die Artenzusammensetzung, die Verteilung funktioneller Merkmale und die Wechselwirkungen zwischen Pflanzen und Arthropoden während 20 Jahren Waldsukzession verändern, und (2) welche Umweltbedingungen eine dauerhafte Veränderung der Waldzusammensetzung nach einem großen Störungsereignis auslösen können.
Entstehung des Projekts
Die Waldbrände von Leuk (2003, verbrannte Fläche 300 ha, 900-2100 m ü. M.) und Visp (2011, 130 ha, 700-1600 m ü. M.) gehören zu den grössten Brandkatastrophen nördlich der Schweizer Alpen seit 1900. Die sozioökonomischen Auswirkungen dieser Waldbrände - 4 Millionen Franken allein in Leuk - haben nicht nur zu einer neuen Waldbrandstrategie im Wallis geführt (Gerold 2019), sondern auch zu einer kontinuierlichen Forschung im Auftrag des Kantons, insbesondere im Bereich der Regeneration und der Biodiversität. Die WSL hat die Vegetationsdynamik nach Bränden in Leuk (2004-2007 und 2013) und Visp (2013, 2018) sowie die (Wieder-)Besiedlung durch Arthropoden (Leuk; 2005, 2006, 2008 und 2013) beobachtet und die Ergebnisse der frühen Waldsukzession in mehreren wissenschaftlichen Zeitschriften und Fachzeitschriften veröffentlicht (z.B., Moser, Gimmi & Wohlgemuth 2006; Wohlgemuth et al. 2008a; Moretti et al. 2010; Moser et al. 2010; Wohlgemuth et al. 2010a; Wohlgemuth et al. 2010b; Wohlgemuth et al. 2012; Nussbaumer & Wohlgemuth 2016; Moretti et al. 2018; Wohlgemuth et al. 2018; Wohlgemuth & Moser 2018). Das Vermächtnis des Leuk-Brandes half den Forstbehörden, beim nächsten grossen Waldbrand in Visp (2011) schnell zu reagieren, und förderte unser Verständnis der Widerstandsfähigkeit des Waldes nach einem Brand (Wohlgemuth et al. 2015).
Interessanterweise zeigen die Vegetationsaufnahmen von Leuk und Visp unterschiedliche Verläufe nach der Störung. Vorläufige Analysen ergaben, dass die Verjüngung und die frühe Sukessionsfolge nach einem Brand auf dem trockenen, südexponierten Hang von Leuk viel langsamer zu verlaufen scheinen als auf dem nordexponierten, feuchteren und nährstoffreicheren Hang in Visp (Wohlgemuth 2015). In Leuk deuten vorläufige Ergebnisse auf einen möglichen Vegetationswechsel (Wilson & Agnew 1992) von einem Föhrenwald (vor dem Brand) zu einem eichendominierten Wald in tieferen Lagen hin (Moser et al. 2010; Nussbaumer & Wohlgemuth 2016). In den höheren Lagen in Leuk und am feuchteren, nährstoffreicheren Hang in Visp wurden bisher keine Vegetationswechsel beobachtet. Die gegensätzlichen Sukzessionsverläufe scheinen durch die Wechselwirkungen zwischen Feuerstörung und Klimawandel verursacht zu werden und wurden im Rahmen von Dürreeffekten im Wallis bereits beschrieben (Rigling et al. 2013).
Der Klimawandel verändert die Ökosysteme, wobei Modelle dramatische Verschiebungen in der Verteilung der Arten und der Zusammensetzung der Lebensgemeinschaften vorhersagen (z. B. Lenoir et al. 2020; Scherrer et al. 2020), die sich möglicherweise auf wichtige Ökosystemdienstleistungen der Wälder auswirken (z. B. Lindner et al. 2014; Jandl et al. 2019). Jüngste repräsentative Vegetationserhebungen berichteten jedoch nur über marginale Veränderungen der Artenzusammensetzung und Arealverschiebungen in den letzten Jahrzehnten (z. B. Lenoir et al. 2008; Bertrand et al. 2011; Scherrer et al. 2017). Eine mögliche Erklärung steht im Zusammenhang mit der Sukzessionsdynamik, welche durch große Störungen entsteht. Sowohl Modelle (Bugmann et al. 2019; Scherrer et al. 2020) als auch Felduntersuchungen (Wohlgemuth et al. 2018; Scherrer et al. 2022) zeigen, dass große Störungen eine Schlüsselrolle dabei spielen, den Weg für Artenverschiebungen zu ebnen, indem sie asymmetrische Konkurrenzeffekte (d. h. zwischen etablierten dominanten Baumarten und neu eintreffenden Kolonisatoren) beseitigen und somit einen schnelleren Übergang zu optimal an die "neuen" klimatischen Bedingungen angepassten Artenzusammensetzungen ermöglichen. Die Verjüngungsdynamik nach einer großen Störung, insbesondere nach einem Brand, hängt jedoch von mehr Faktoren als nur dem Klima ab, z. B. vom Artenpool, der Samenverbreitung und biotischen Wechselwirkungen. Arten mit einem großen Samenvorrat, unterirdischen Organen für den Wiederaustrieb oder einer hohen Ausbreitungskapazität könnten einen erheblichen Vorteil bei der Besiedlung eines kürzlich gestörten Gebiets haben, was zu einer veränderten Artenzusammensetzung unabhängig vom Klimawandel führt (z. B. Wohlgemuth et al. 2008b). In ähnlicher Weise unterschied sich die Arthropodengemeinschaft in frisch abgebrannten Gebieten deutlich von der des umgebenden Waldes, was die offeneren Bedingungen und eine große Menge an neuen Ressourcen widerspiegelt, die durch Prozesse des Konkurrenzausschlusses freigesetzt wurden (Moretti et al. 2010; Moretti et al. 2018). Diese Verschiebungen von Arthropoden- und Pflanzenmerkmalen spiegeln weitgehend die Sukzessionsdynamik wider und zeigen, dass Langzeitbeobachtungen unerlässlich sind, um anhaltende und möglicherweise klimabedingte Merkmalsverschiebungen zu identifizieren. Dies ist auch für die Ökosystemfunktionen von großer Bedeutung, da unterschiedliche Verläufe der Sukzessionsveränderungen bei Pflanzen und Arthropoden wahrscheinlich trophische Interaktionen verändern, welche an wichtige Ökosystemprozesse gekoppelt sind.
Die Entflechtung der Sukzessionsdynamik und der klimabedingten Anpassungen der Wälder ist von entscheidender Bedeutung für die Entwicklung anpassungsfähiger Bewirtschaftungsmethoden für "climate-smart forests" und die Vorhersage der Auswirkungen auf die biologische Vielfalt. Derzeit ist unser Verständnis dieser Dynamik durch einen Mangel an Langzeitstudien in Wäldern begrenzt, insbesondere in traditionell weniger brandgefährdeten Regionen wie den trockenen Tälern der Zentralalpen. Mit Reihen von Vegetations- und Arthropodenuntersuchungen vor und nach den Bränden bieten die Waldbrände in Leuk und Visp eine einzigartige Gelegenheit, "benachbarte" Standorte mit kontrastierenden Umweltbedingungen zu untersuchen. Der Trockenhang in Leuk war (vor dem Brand) ein von Waldkiefern dominierter Wald, aber viele Studien deuten darauf hin, dass die prognostizierte Zunahme von Sommertrockenheit zu einer Verlagerung von Waldkiefernwäldern hin zu trockenheitsresistenteren Eichenarten führen wird, insbesondere in den untersten Höhenlagen (Rigling 2006; Gimmi et al. 2010). Eine neuere Studie von Scherrer et al. (2021) prognostiziert sogar bereits eichendominierte Wälder in tieferen Lagen in Leuk. Im Gegensatz dazu wird erwartet, dass der feuchtere und nährstoffreichere Hang in Visp weiterhin einen Fichtenwald tragen wird (d. h. eine ähnliche Artenzusammensetzung wie vor dem Brand). Die Analyse der langfristigen Sukzessionfolge dieser beiden kontrastierenden Standorte bietet neue Einblicke in die Rolle des Klimas, der Besiedlungsgeschichte und der Artenmerkmale, welche die Baumartenzusammensetzung nach großen Bränden in traditionell feuerscheuen Ökosystemen beeinflussen. Darüber hinaus ermöglichen uns die Daten über Insekten und Spinnen zu analysieren, ob die beobachteten Merkmalsverschiebungen in der Vegetation auch zu einer dauerhaften Merkmalsverschiebung in den Arthropodengemeinschaften und trophischen Interaktionen führen mit weitreichenden Konsequenzen für das Funktionieren des Ökosystems.
Vorgehen und Methoden
Im Rahmen des Projekts wird die Wechselwirkung zwischen Brandstörung und Klimaerwärmung anhand einzigartiger Datensätze der WSL zur Waldverjüngung und Artenzusammensetzung nach Bränden in Leuk und Visp analysiert. In Leuk wurden fünf Vegetations- (2004, 2005, 2006, 2007 und 2013) und vier Arthropodenerhebungen (2005, 2006, 2008, 2013) durchgeführt, in Visp fanden zwei weitere Vegetationserhebungen statt (2013, 2018). Im Rahmen dieses Projekts untersuchen wir die Vegetation (insbesondere Baumverjüngung) und die Arthropodenvielfalt in Leuk (2023, 20 Jahre nach dem Brand und 10 Jahre nach der letzten Erhebung), ergänzt durch eine Vegetationsaufnahme in Visp (2023, 12 Jahre nach dem Brand und 5 Jahre nach der letzten Erhebung).
Wir werden diese langfristigen Datensätze zur Walddynamik nach dem Brand nutzen, um die folgenden Schlüsselfragen zu beantworten:
(1) Wie haben sich die allgemeine Artenvielfalt, die Verteilung der funktionellen Merkmale und die Artenzusammensetzung in den Jahrzehnten seit dem Brand verändert (d.h. die Sukzessionsstadien)?
(2) Gibt es einen Zusammenhang zwischen der Sukzessionsdynamik (d. h. Merkmalsverschiebungen und Artenwechsel) von Pflanzen und Arthropoden? Kann eine integrierte Betrachtung der Sukzessionsdynamik von Pflanzen und Arthropoden zu einem besseren Verständnis des Aufbaus von Gemeinschaften nach einer Störung und der Folgen für trophische Interaktionen und das Funktionieren von Ökosystemen beitragen?
(3) In welchen Höhenlagen sind die Waldgemeinschaften entweder zu einem Zustand zurückgekehrt, der hinsichtlich der Artenvielfalt, der Verteilung funktioneller Merkmale und der Artenzusammensetzung dem Zustand vor dem Brand ähnelt, oder sie haben sich zu neuen Gemeinschaften entwickelt?
(4) Welche Umweltfaktoren wirken sich auf die Widerstandsfähigkeit von Gemeinschaften und auf den Wechsel von Gemeinschaften aus?
Die Wiederholungsuntersuchungen der Vegetation werden auf dem bereits eingerichteten systematischen Stichprobenraster von 125 m x 125 m innerhalb der verbrannten Flächen durchgeführt. Die Baumartenverjüngung wird auf 50 m2 in Leuk (n = 150) und Visp (n = 45) untersucht. Die Artenvielfalt aller Gefässpflanzen wird auf 200 m2 Parzellen in der Brandfläche von Leuk erfasst (Wohlgemuth et al. 2010a).
Die Arthropodenvielfalt wird an 18 Standorten entlang dreier Höhentransversalen (1200, 1450 und 1700 m ü. M.) erneut erhoben, aufgeteilt in drei Ökosysteme: (1) intakte Wälder (Kontrolle), (2) innerer Rand des verbrannten Gebiets und (3) im Zentrum des verbrannten Gebiets. An jedem Standort werden zwei Sätze von Standardfallen aufgestellt, die auf fliegende und bodenbewohnende Arthropoden abzielen (Obrist & Duelli 2010).
Literatur
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