Alpine Baumgrenzen in einer CO2-reichen und warmen Zukunft

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.

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 Mykorrhizen 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 m^₂ grossen Versuchsflächen ausgelegt wurden, um 4°C erwärmt.

Partner

Die folgenden Forscher/-innnen 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