Bislang wurde meist angenommen, dass sich die Effekte einzelner Klimafaktoren auf Ökosysteme weitgehend aufsummieren lassen, dass also der gemeinsame Effekt von erhöhtem CO₂ und Erwärmung in etwa der Summe der jeweiligen Einzeleffekte entspricht. Für die Klimaforschung ist diese Annahme praktisch, weil sich auf ihrer Basis Modelle einfacher rechnen lassen. Die neue Studie liefert nun Hinweise darauf, dass diese Vereinfachung an ihre Grenzen stößt. In einem mehrjährigen Feldexperiment in einem Grünland kombinierte das Forschungsteam systematisch die drei zentralen Klimafaktoren CO₂, Erwärmung und Dürre und untersuchte deren Wirkung auf zentrale Funktionen des Ökosystems: die Kohlenstoffaufnahme über die Photosynthese, die CO₂-Abgabe durch die Atmung sowie den Wasserhaushalt.
Eine Zeitmaschine für Grünland-Ökosysteme
Erstautorin Maud Tissink führte dafür über zwei Jahre hinweg Messungen mit speziellen Ökosystemkammern durch, mit denen sich CO₂- und Wasserflüsse unter kontrollierten Bedingungen erfassen lassen. Das Experiment wirkt wie eine Zeitmaschine: Es simuliert jene Bedingungen, die in den kommenden Jahrzehnten zu erwarten sind, und macht sichtbar, wie das Ökosystem darauf reagiert. „Solche Drei-Faktoren-Experimente in Ökosystemen sind weltweit eine Seltenheit, weil sie extrem aufwändig sind. Es gibt nur eine Handvoll derartiger Experimente, die mehr als zwei Faktoren systematisch berücksichtigen", erläutert Michael Bahn, Professor am Institut für Ökologie und Leiter der Forschungsgruppe „Funktionelle Ökologie".
Synergie statt Addition
Die zentrale Erkenntnis: Treten erhöhtes CO₂ und Erwärmung gemeinsam auf, verstärken sich ihre Effekte gegenseitig. Der gemeinsame Effekt ist somit größer als die Summe der Einzeleffekte. Wenn diese beiden Faktoren dann auch noch mit Dürre kombiniert werden, ist die Auswirkung der Dürre auf zentrale Funktionen des Ökosystems überproportional verstärkt. „Eigentlich war zu erwarten, dass bei erhöhtem CO₂ Pflanzen Wasser sparen, während Erwärmung den Wasserbedarf erhöht, sodass sich die beiden Effekte in Kombination abpuffern. Tatsächlich war aber der Erwärmungseffekt so stark, dass das Wassersparen nicht ausgereicht hat. Die negativen Effekte der Dürre haben sich somit verstärkt", erklärt Bahn. Während eine Dürre unter heutigen Bedingungen die Kohlenstoffaufnahme bereits deutlich einschränkt, fällt dieser Effekt unter den simulierten Zukunftsbedingungen mit höheren CO₂-Werten und höheren Temperaturen wesentlich stärker aus: „In einem künftigen Klima verringern Wiesen bei Dürre ihre Kohlenstoffaufnahme viermal so stark wie heute. Auch die Effizienz, mit der Pflanzen Wasser für die Kohlenstoffaufnahme nutzen, verschlechterte sich deutlich: Pro aufgenommener Menge an Kohlenstoff musste das Ökosystem mehr Wasser abgeben, obwohl es ohnehin schon trockener war“, sagt Maud Tissink.
Konsequenzen für Klimamodelle
Diese neuen Erkenntnisse sind insbesondere auch für die Modellierung der Wechselwirkungen zwischen Ökosystemen und dem Klimasystem von Relevanz. Ökosystemmodelle, die auf der Annahme weitgehend additiver Effekte beruhen, könnten die Folgen künftiger Dürren systematisch unterschätzen. „Unsere Daten zeigen für mitteleuropäisches Grünland sehr deutlich, dass sich die negativen Effekte einer Dürre in einem künftigen Klima überproportional verstärken können. Damit könnte auch die Fähigkeit dieser Ökosysteme, in einem künftigen Klima zur CO₂-Aufnahme an Land beizutragen, geringer ausfallen als bislang angenommen", so Bahn. Zugleich mahnt er zur Vorsicht bei Verallgemeinerungen: Wie weit sich die Befunde direkt auf andere Klimazonen und Ökosystemtypen übertragen lassen, müsse erst noch durch ähnliche Experimente geklärt werden. Klar sei, dass die Auswirkung mehrerer kombinierter Klimafaktoren auf Ökosysteme in der Forschung künftig systematischer untersucht werden müssten, um die globalen Folgen genauer abschätzen zu können.
Publikation: Tissink et al. Synergistic effects of warming and elevated CO₂ intensify drought impacts on grassland carbon and water fluxes. Science Advances, 12, eaea8988. https://doi.org/10.1126/sciadv.aea8988