Wiese im Stubaital

Drei Fak­­toren maß­­geb­­lich für Land-Öko­­systeme

Ökosysteme erfüllen wichtige Funktionen und sind hochkomplex. Ein Forschungsteam unter der Leitung des Max-Planck-Instituts für Biochemie Jena hat nun drei wichtige Faktoren identifiziert, mit denen sich zentrale Teile des Funktionierens von Ökosystemen erklären lassen. Michael Bahn und Georg Wohlfahrt vom Institut für Ökologie waren an der in Nature veröffentlichten Studie beteiligt.

Ökosysteme erbringen vielfältige Leistungen für den Menschen. Diese Leistungen hängen von grundlegenden Ökosystemfunktionen ab, die durch natürliche Bedingungen wie Klima und Artenvielfalt sowie durch menschliche Eingriffe beeinflusst werden. Ein großes internationales Forschungsteam unter der Leitung des Max-Planck-Instituts für Biogeochemie in Jena hat drei Schlüsselindikatoren ermittelt, die das Funktionieren der hochkomplexen terrestrischen Ökosysteme beschreiben. Dazu hat das Team Daten aus mehr als 200 Ökosystem-Messstationen aus aller Welt zusammengeführt: Die Wissenschaftler*innen verwendeten diese globale Umweltdaten kombiniert mit Satellitenbeobachtungen, mathematischen Modellen sowie statistischen Methoden. Das Ergebnis war angesichts der Komplexität überraschend eindeutig: „Es gibt bereits viele Untersuchungen, in denen die große Variabilität auf der Ebene einzelner Pflanzen untersucht wurde. Die Frage war nun, ob sich dieser Zugang auch auf ein ganzes Ökosystem hochskalieren lässt. Das hat überraschenderweise funktioniert“, erklären Michael Bahn und Georg Wohlfahrt und vom Institut für Ökologie den Ansatz der Studie, die nun im renommierten Fachmagazin Nature veröffentlicht wurde. Wohlfahrt steuerte Daten aus bis zu 20-jährigen Messreihen auf Wiesen in Neustift im Stubaital bei und war an der Konzeptionierung der Studie beteiligt. Michael Bahn begleitete die konzeptionelle Entwicklung und Interpretation der internationalen Untersuchung.

Drei zentrale Faktoren

Aus der Vielzahl an Daten aus aller Welt konnte das Forscher*innen-Team drei wesentliche Aspekte herauskristallisieren, die mehr als 70 Prozent der Variabilität von Ökosystemfunktionen erklären können. Der erste beschreibt das Potenzial der Kohlenstoffaufnahme, der zweite die Effizienz der Wassernutzung und der dritte umfasst die Effizienz der Kohlenstoffnutzung. Die Überwachung dieser Schlüsselindikatoren ermöglicht die Beschreibung jener Ökosystemfunktionen, die die Anpassungsfähigkeiten auf Klima- und Umweltveränderungen bestimmen. Der erste Indikator spiegelt die Fähigkeit des jeweiligen Ökosystems zur Aufnahme von CO2 wider. Der Wassernutzungsindikator ist eine Kombination von Messgrößen, die beschreiben, wie effizient Ökosysteme Wasser für die CO2-Aufnahme nutzen. Der Indikator für die Kohlenstoffnutzungseffizienz umschreibt die Nutzung des Kohlenstoffs durch ein Ökosystem –  das heißt der veratmete Kohlenstoff im Verhältnis zum aufgenommenen Kohlenstoff, wie Michael Bahn und Georg Wohlfahrt erklären. Die überraschenden Ergebnisse veranlassten das Team zur Annahme, dass komplexe Ökosysteme letztlich von einer kleinen Anzahl von Hauptfaktoren bestimmt werden, so wie dies für Pflanzen anhand weniger Eigenschaften bereits in anderen Studien belegt wurde. „Allein mit diesen drei Hauptkriterien können wir rund 72 Prozent der Variabilität in den Ökosystemfunktionen erklären", verdeutlicht der Hauptautor Mirco Migliavacca. „Mit der Wassernutzungseffizienz als zweitwichtigstem Faktor unterstreichen unsere Ergebnisse zudem die Bedeutung der Wasserverfügbarkeit für die Leistungsfähigkeit von Ökosystemen. Dies wird für die Betrachtung der Auswirkungen des Klimawandels von entscheidender Bedeutung sein“, sagt Professor Markus Reichstein, Direktor der Abteilung Biogeochemische Integration am MPI-BGC und Co-Autor.

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Internationale Zusammenarbeit

Die Forscher*innen untersuchten im Zuge dieser Studie Austauschraten von Kohlendioxid, Wasserdampf und Energie an 203 weltweiten Messstationen, die dem FLUXNET-Netzwerk angehören, einem kollaborativen Netzwerk von mehreren Forschungsteams und Feldstandorten. Die ausgewählten Standorte decken eine große Vielfalt von Klimazonen und Vegetationstypen ab. Für jeden Standort wurde eine Reihe von funktionalen Eigenschaften der Ökosysteme berechnet und Berechnungen zu durchschnittlichen Klima- und Bodenwasserverfügbarkeitsvariablen sowie zu Vegetationsmerkmalen und Satellitendaten zur Vegetationsbiomasse angestellt.

Die drei ermittelten Funktionsindikatoren hängen entscheidend von der Struktur der Vegetation ab: vom Grün der Vegetation, dem Stickstoffgehalt der Blätter, der Vegetationshöhe und der Biomasse. Dieses Ergebnis unterstreicht die Bedeutung von menschlichen Eingriffen in Ökosysteme. Gleichzeitig hängen die Wasser- und Kohlenstoffnutzungseffizienz entscheidend vom Klima und dabei teilweise von der Trockenheit ab, was die Rolle des Klimawandels für das zukünftige Funktionieren der Ökosysteme unterstreicht. „Unsere aufschlussreiche Analyse ist ein wichtiger Schritt zur Ermittlung von Indikatoren für das Verhalten und die Gesundheit von Ökosystemen“, bewertet Professor Markus Reichstein. „Sie trägt zu einer umfassenden Beurteilung der Reaktion der weltweiten Ökosysteme auf Klima- und Umweltveränderungen bei.“

 

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