Doktorarbeit

Effects of climate change on plants and ecosystem functioning: Implications for managed temperate grasslands

Mohammed Arfin Khan (10/2011-09/2015)

Zusammenfassung:

Der globale Wandel stellt Pflanzen sowie Ökosysteme und die damit verbundene Bereitstellung von Ökosystemdienstleistungen vor eine Herausforderung. Grasländer haben sich innerhalb der Disziplinen Biodiversitätsforschung, sowie Klimawandeleffektforschung als eines der Hauptforschungsobjekte herausgestellt. Der Großteil der bestehenden Studien beschäftigt sich mit den Auswirkungen des Klimawandels auf die Produktivität solcher Grasländer. Jedoch sind Studien in denen der Frage nach den Auswirkungen des Klimawandels (z.B. Dürre, hohe Niederschlagsvariation, Bodenerwärmung, Spätfrost im Frühjahr etc.) auf differenziertere ökologische Parameter, wie z.B. Phänologie, Physiologie, Artzusammensetzung, Wachstumsförderung durch Anwesenheit von Leguminosen, Pflanzen verfügbarer Stickstoff, sowie Pflanzenstickstoffgehalte nachgegangen wurde, unterrepräsentiert. Es ist bekannt, dass durch Bewirtschaftungsmaßnahmen die Wuchsleistung von Pflanzenbeständen, sowie die Bereitstellung von Ökosystemdienstleistungen verbessert werden kann. Das Potenzial von Grünland-Bewirtschaftung im Hinblick auf eine abmildernde Wirkung der prognostizieren, negativen ökologischen Auswirkungen des Klimawandels sind allerdings größtenteils unbekannt. Zudem sind die Methoden, die genutzt werden um zu untersuchen inwieweit sich der Klimawandel (im engeren Sinne Dürre) auf Ökosysteme auswirken kann, durch ihre ungewollten mikro-klimatischen Effekte (Artefakte) umstritten. Die Hauptzielsetzungen der vorliegenden Dissertationsschrift sind (a) zu untersuchen wie ausgewählte Pflanzen und Ökosysteme auf unterschiedliche Aspekte des Klimawandels (z.B. Bodenerwärmung, Niederschlagsvariabilität, Winter-Starkregen, Spätfrost, Starkregen und Dürre) reagieren, (b) herauszufinden inwieweit sich drei ausgewählte Bewirtschaftungsmaßnahmen dazu eignen die Auswirkungen des Klimawandels zu kompensieren/abzumildern, und (c) die Forschungsdisziplin der Klimawandeleffektforschung durch die fachliche Reflexion angewandter experimenteller Methoden voranzutreiben. Zu diesem Zwecke wurden die Reaktionen (im Wesentlichen: Phänologie, Produktivität, Physiologie, Keimungsraten und Stickstoffgehalte) ausgewählter Pflanzenarten, ihrer Populationen, sowie von künstlichen Pflanzengemeinschaften und einem bewirtschafteten Grünlandökosystem untersucht. Saisonale Bodenerwärmung (im Winter/Sommer) führte zu einem früheren Blühbeginn und veränderter Produktivität von ansonsten Früh- bzw. Spätblühenden Arten (Manuskript 1). Das Einsetzen der Blüte bei frühblühenden Graslandarten der gemäßigten Breiten wurde infolge von Bodenerwärmung im Winter (4,9 Tage früher) stärker begünstigt als bei der Erwärmung im Sommer (2,3 Tage), während spät-blühende Arten generell weniger anfällig gegenüber den experimentellen Erwärmungen waren. Infolge experimenteller Veränderungen des Niederschlagsregimes zeigten sich keinerlei Verschiebungen der Phänologie (Manuskript 1). Dennoch zeigte sich der Einfluss von experimentell variierten Niederschlagsverhältnissen in der Wachstumsperiode in einer Veränderung des Bedeckungsgrades von Spät- bzw. Frühblühern. Produktivität und Wachstumsförderung durch Anwesenheit von Leguminosen nahmen unter simulierten Starkregenbedingungen zu im Vergleich zu den Kontrollbedingungen (Manuskript 2). Dürre verringerte pflanzenphysiologische Parameter wie stomatäre Leitfähigkeit, effektive Quantenausbeute und Wasserpotential der Blätter (Manuskript 6). Dürreeffekte auf Pflanze wurden durch die Anwesenheit von Leguminosen beeinflusst (Manuskript 1). Unter Dürrebedingungen hatte die Anwesenheit von Leguminosen die Gesamtbiomasseproduktion von drei benachbarten Graslandarten um 36% erhöht. Darüber hinaus wurde artspezifische Begünstigung anderer Pflanzenarten durch Leguminosen nachgewiesen: Glatthafer (Arrhenatherum elatius) wurde während Dürre- und Starkregenereignissen durch Leguminosen-Präsenz begünstigt, während Spitzlattich (Plantago lanceolata) nur während Starkregen und Wolliges Honiggras (Holcus lanatus) nur unter Kontrollbedingungen begünstigt wurden. Die innerhalb der Kontrollbedingungen durch die Anwesenheit von Leguminosen hervorgerufenen positiven Effekte auf N-Gehalte in Boden und Pflanze bestanden auch während des Einflusses der Dürre fort. Europäische Graspopulationen/-provenienzen verhielten sich unterschiedlich unter Dürrebedingungen. Allerdings verhielten sich Populationen aus humiden Gebieten nicht schlechter als aus semi-ariden Gebieten, was darauf hinweist, dass es keine lokale Anpassung gibt (Manuskript 3). Sowohl unter Dürre- als auch unter Spätfrostbedingungen war die Variation innerhalb von Arten in den meisten Fällen so hoch wie zwischen den Arten (Manuskript 4). Es konnte (für sieben unterschiedliche, experimentell nachgestellte Klimabedingungen) gezeigt werden, dass für die Art Verbascum thapsus (eine global invasive Pflanzenart) innerartliche Variation (d.h. unterschiedliche Keimungs- und Keimlingsetablierungsraten) hauptsächlich während früher Lebensabschnitte vorkommt (Manuskript 4). Des Weiteren wurden Pflanzenstickstoffgehalte durch Wiederbefeuchtung und Ernteverzögerung nach der Dürre verändert (Manuskript 3). Eine Ernteverzögerung nach der Wiederbefeuchtung konnte aber nicht die negativen Dürreeffekte auf die Biomasseproduktion kompensieren, führte aber zu erhöhten Pflanzenstickstoffkonzentrationen und -gehalten. Eine detaillierte Charakterisierung der mit der Nutzung von Überdachungen verbundenen mikro-klimatischen Effekte zeigte, dass die Rolle von methodischen Artefakten bei diesem experimentellen Ansatz stark von den jeweils vorherrschenden Wetter-Bedingungen abhängig ist (Manuskript 6). Die Reaktion der untersuchten Pflanzen war stark mit den Wetterverhältnissen der Umgebungsluft (unter Kontrollbedingungen) korreliert. Die Betrachtung von Dürreeffekten im Zusammenhang mit mikro-klimatischen Parametern wie Lufttemperatur und Dampfdruckdefizit (VPD) kann hiernach die Interpretation und den Vergleich unterschiedlicher Studien sowie Unterschiede in verschiedenen Jahren einer Studie erleichtern. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass durch die verwendeten Überdachungen, sowohl Temperatur- als auch Einstrahlungsverhältnisse verändert wurden. Jedoch hatten die mit den Überdachungen verbundenen mikro-klimatischen Veränderungen (Artefakte) keine signifikanten Effekte auf die Trockenheits-induzierte Reaktion der untersuchten Pflanzen. Demnach handelt es sich bei diesen fest-installierten Überdachungen nach wie vor um eine nutzbare Methode in der experimentellen Ökologie. Die hier vorgelegte Arbeit liefert wichtige Erkenntnisse zu den Auswirkungen des Klimawandels auf die ökologische Funktionsweise ausgewählter Pflanzenarten und des Gesamt-Systems bewirtschafteter Grünländer, die für eine nachhaltige Bewirtschaftung dieser Ökosysteme von fachlicher Relevanz sind. So können beispielsweise Trockenheits-induzierte Effekte durch die Anwesenheit von Leguminosen und durch Bewässerung in Kombination mit einer verzögerten Ernte reduziert werden. Die im Zuge dieser Arbeit präsentierten Ergebnisse zeigen zudem starke Unterschiede in der Reaktion unterschiedlicher Populationen einer Art auf klimatische Extrembedingungen. Dennoch konnte die (klimatische) Herkunft der untersuchten Populationen keine Rückschlüsse auf die Art und Richtung der gezeigten Reaktion geben. Demnach kann das Mischen unterschiedlicher Populationen oder eine generell hohe, intra-spezifische Diversität als geeignete Maßnahme empfohlen werden, um in Angesicht des aktuellen Klimawandels die Produktivität und Nährstoff- (Stickstoff-) Verfügbarkeit zu sichern.