Gipfelflora im Klimawandel
Die Verbreitung vieler Bergpflanzen ist gegen oben durch die harsche Umwelt begrenzt – mit zunehmender Höhe leiden sie unter zu kalten oder zu kurzen Sommern. Mit der Klimaerwärmung schaffen es nun aber immer mehr Arten, in immer grössere Höhen vorzudringen. Diese langsame Veränderungen der alpinen Flora und ihre Ursachen kann man anhand von Berggipfeln besonders gut erforschen. Zahlreiche historische Pflanzenzlisten von Gipfeln (Abb. 4) eignen sich bestens als Grundlage, um die Florenveränderung an einem gut lokalisierbaren Ort zu messen.
Ein internationales Forschungsnetzwerk um Sonja Wipf und Christian Rixen vom SLF hat in den letzten Jahren ca. 250 dieser Gipfel in ganz Europa wieder aufgesucht, um die aktuelle Artenzusammensetzung zu erheben. So erforschen wir, wie die Klimaerwärmung die alpine Flora beeinflusst hat, und ob kälteangepasste Arten auch in einer wärmeren Zukunft bestehen können.
Europaweite Veränderung der Gipfelflora als Folge der Klimaerwärmung
Wie sich die alpine Flora in ganz Europa verändert hat, untersuchten wir in einer gross angelegten Studie gemeinsam mit Forscherinnen und Forschern aus 11 Ländern. Darin verglichen wir neue mit älteren Vegetationsaufnahmen vom jeweils selben Gipfel. Der so gewonnene Datensatz ist einzigartig und umfasst insgesamt 302 Berggipfel, von den Pyrenäen über die Alpen bis Spitzbergen und Schottland und bis zu den Karpaten (Abb. 1). Zudem deckt er eine Zeitspanne von 145 Jahren ab. Die Ergebnisse belegen nicht nur erstmals, dass die Zahl der Arten auf Berggipfeln überall in Europa zunimmt, sondern auch, dass diese Zunahme immer schneller erfolgt. Die Ergebnisse der Studie wurden in der renommierten Fachzeitschrift «Nature» veröffentlicht (Steinbauer et al. 2018).
Um die Ursache für den schnelleren Zuwachs an Arten zu finden, testeten wir drei mögliche Einflussfaktoren: Veränderung der Sommer-Temperatur, Veränderung der jährlichen Niederschlagsmenge sowie die Summe der Stickstoff-Ablagerung. Einzig die Temperatur hatte einen konsistenten und signifikanten Einfluss auf die Artenzahl: Je stärker die Erwärmung zwischen zwei Vegetationsaufnahmen auf einem Gipfel war, desto stärker stieg auch die Artenzahl an. Dieser Prozess hat in den letzten Jahrzehnten an Tempo zugelegt, parallel zur immer schneller voranschreitenden Erwärmung. Solche beschleunigten Reaktionen auf den Klimawandel, wie wir sie erstmals für alpine Lebensräume nachweisen können, kennt man bisher primär von abiotischen Systemen, z.B. Gletschern.
Werden alpine Arten durch neu angekommene Arten verdrängt?
Eine Zunahme der Artenvielfalt scheint auf den ersten Blick eine gute Nachricht zu sein. Allerdings stimmt das nur bedingt. Denn viele neue Kolonisierer der europäischen Gipfel sind Arten tieferer Lagen, welche nun dank der Erwärmung in Höhen vorstossen, in denen sie früher nicht überleben konnten. Diese Arten sind oft grösser und konkurrenzstärker als typische Gipfelbewohner, welche als stresstolerante Spezialisten an das Überleben bei kalten Temperaturen und kurzen Sommern angepasst sind. Es besteht deshalb die Gefahr, dass mit der Zeit kältetolerante Spezialisten von wärmeliebenderen Generalisten verdrängt werden. So würde das Verbreitungsgebiet typischer alpiner Arten in immer grössere Höhen gedrängt und die Besonderheit der alpinen Flora geschmälert.
Der Verdrängung von kältetoleranten Arten entgegenwirken könnte jedoch das heterogene Mikroklima alpiner Landschaften. Innerhalb weniger Meter kann es hier Temperaturunterschiede von mehreren Grad Celsius geben, z.B. zwischen Süd- und Nordhängen. Während sich die neu angekommenen Arten an besonders warmen Kleinstandorten ansiedeln, können sich kälteangepasste Arten möglicherweise an besonders kühlen Standorten noch längere Zeit halten.
Wer sind die Gewinner, wer die Verlierer?
Die besten Karten im Konkurrenzkampf mit «neuen» Arten werden diejenigen haben, welche auf Felsschutt wachsen können. Dies zeigen Untersuchungen, in denen wir auf 11 Gipfeln die kleinräumige Verteilung von 12 Pflanzenarten kartiert und mit dem langfristigen Erfolg der jeweils gleichen Art auf Gipfeln in den Schweizer Alpen verglichen haben (Kulonen et al. 2018). Arten mit einer Präferenz für Standorte auf Felsschutt zeigten über die vergangenen 100 Jahre die grösste Zunahme auf Schweizer Gipfeln. Felsschutt ist auf Gipfeln nicht nur häufig, sondern dort gibt es auch wenig Konkurrenz. Denn vielen Pflanzen aus tieferen Lagen ist dieser Untergrund zu instabil, er bietet zu wenig Wasser und Nährstoffe. Pflanzen mit der Fähigkeit, auf Felsschutt zu gedeihen, werden deshalb auch unter steigenden Temperaturen nicht so schnell verdrängt.
Schlechter sieht es hingegen für Hochgebirgsspezialisten mit einer Präferenz für organische Böden aus (Abb. 3). Diese zeigten über das letzte Jahrhundert eher abnehmende Tendenzen. Auf stabilem organischem Boden ist die Konkurrenz durch Nachbarn am grössten. Ein Ausweichen an höhere, kältere Standorte ist schwierig, da organisches Substrat auf Gipfeln rar ist und mit zunehmender Höhe immer seltener wird.
Florenveränderung über 176 Jahre auf dem Piz Linard
Der Piz Linard (3410 m; Abb. 3) ist der am längsten und besten untersuchte Gipfel in Europa und widerspiegelt die europaweite Beschleunigung der Artenzunahme eindrücklich: Im Jahr 1835 registrierte der Erstbesteiger und damalige Professor in Zürich, Oswald Heer, nur eine einzige Pflanze auf dem Gipfel (Abb. 4). Seither untersuchten Naturforscher den Piz Linard im Durchschnitt alle 20 Jahre. In den letzten 20 Jahren beschleunigte sich die Kolonisierung des Gipfels stark, sodass dort heute bereits 16 Arten gedeihen (Wipf et al. 2013). Während in den ersten Jahrzehnten typische hochalpine Spezies neu auftauchten, waren die Besiedler der letzten 20 Jahre alles Arten, die früher nie in so grossen Höhen gefunden wurden. Es ist daher naheliegend, dass erst die steigenden Temperaturen der letzten Jahrzehnte diesen Anstieg der Artenzahlen ermöglichte.
Forschen mit historischen Daten
Historische Daten bieten eine wertvolle Grundlage, um langfristige Veränderungen in der Zusammensetzung von Ökosystemen zu verfolgen (Stöckli et al. 2011). Schon der berühmte Botaniker Josias Braun(-Blanquet) dachte vor 100 Jahren daran, dass die Qualität seiner Arbeit wichtige Konsequenzen für die zukünftige Forschung hat: «Um [...] Vergleichen inskünftig eine sichere Grundlage zu schaffen, suchte ich zahlreiche Gipfel eingehend ab. […] An Hand der ausführlich gehaltenen Standortsangaben dürfte die Nachprüfung meiner Listen nicht schwer fallen und eine Zu- oder Abnahme des Artenbestandes in Zukunft mit ziemlicher Sicherheit nachzuweisen sein» (Braun 1913, S. 327). Aufgrund solcher und ähnlicher Belege sind wir von der guten Qualität historischer Gipfeldaten überzeugt.
Beobachtungs-Daten, auch unsere eigenen, müssen trotzdem auf ihre Zuverlässigkeit hin geprüft werden – analog zur Messgenauigkeit von Instrumenten. Deshalb haben auf einigen Gipfeln zwei Personen jeweils unabhängig voneinander die Daten erhoben (Burg et al. 2015). Diese Pflanzenlisten stimmen im Mittel jeweils zu 87 % überein. Beobachterfehler ergaben sich insbesondere bei seltenen und kleinen Arten (Abb. 6), oder bei Arten, welche nur während kurzer Zeit blühen. Unser Beobachterfehler liegt im Bereich vergleichbarer Studien und ist fast dreimal geringer als der Unterschied zwischen der historischen und der heutigen Artenzusammensetzung. Wir zweifeln deshalb nicht daran, dass die festgestellte starke Zunahme von Artenzahlen der Realität entspricht.
Details zum Projekt
Projektdauer
2010 - 2016
Projektleitung
- GLobal Observation Research Initiative in Alpine environments (GLORIA)
- Aarhus University
- Friedrich-Alexander Universität Erlangen-Nürnberg
- University of Bergen
- Universiät Rostock
- Université de Picardie Jules Verne
- University of Torino
- University of Edinburgh
- Time and effort was supported by sDiv, the Synthesis Centre of German Centre for Integrative Biodiversity Research (iDiv), Germany (DFG FZT 118, sUMMITDiv working group).
- Université de Lausanne (UNIL)
- University of Warsaw
- Polish Academy of Sciences
- Universität Wien
- Universität Innsbruck
- Instituto Pirenaico de Ecología
- International Agency for Research on Cancer
- Norwegian University of Life Sciences
- Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg
- University of Aberdeen
- Slovak Academy of Sciences
- Norwegian Institute of Bioeconomy Research
- Helmholtz Zentrum für Umweltforschung
- Environmental Protection Agency of Aosta Valley
- University College of Southeast Norway
- Norwegian Institute for Nature Research
- Tatra National Park
- Bergwelten 21 AG
- Centre Alpien de Phytogéographie
- Université de Genève
- ETH Zürich
- Bundesamt für Umwelt (BAFU)
- Velux Stiftung
- Schweizerischer Nationalfonds SNF
- Basler Stiftung für biologische Forschung
- Alpenblumen-Fonds der Schweizerischen Botanischen Gesellschaft
- Interact Transnational Access
- Time and effort was supported by sDiv, the Synthesis Centre of German Centre for Integrative Biodiversity Research (iDiv), Germany (DFG FZT 118, sUMMITDiv working group).