Wie wird die Zukunft unserer Böden – und damit auch die Verfügbarkeit von Wasser – unter dem Einfluss bevorstehender klimatischer Veränderungen aussehen? Eine internationale Studie unter der Leitung von Jesse Radolinski und Michael Bahn vom Institut für Ökologie der Universität Innsbruck zeigt, wie Dürre, Erwärmung und erhöhte CO₂-Konzentrationen in der Atmosphäre den hydrologischen Haushalt im Boden verändern und die Widerstandsfähigkeit von Ökosystemen herausfordern. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Science veröffentlicht.

Grasländer bedecken fast 40 Prozent der Erdoberfläche und spielen eine wichtige Rolle im globalen Wasserkreislauf. Dennoch mangelt es noch an Verständnis dafür, wie der Klimawandel diese lebenswichtigen Ökosysteme beeinflusst. Eine neue Studie, die im Rahmen eines von der Österreichischen Akademie der Wissenschaften geförderten internationalen Projekts und unter der Leitung von Michael Bahn aus der Forschungsgruppe Funktionelle Ökologie der Universität Innsbruck durchgeführt wurde, liefert nun neue Erkenntnisse über die Zukunft von Grasland-Ökosystemen. Die Ergebnisse dieser einjährigen Studie veranschaulichen, wie Dürre, erhöhte Temperaturen und steigende CO₂-Konzentrationen die Verfügbarkeit von Bodenwasser und den Wasserverbrauch der Pflanzen beeinflussen. „Wir haben die in künftigen Klimaszenarien erwarteten Veränderungen von drei Schlüsselfaktoren simuliert: Erwärmung, erhöhte CO₂-Konzentrationen in der Atmosphäre und Dürre. Wir haben die Effekte sowohl einzeln als auch in verschiedenen Kombinationen untersucht“, erklärt Michael Bahn. Mithilfe von mit stabilen Isotopen markiertem Regenwasser konnte das Team die Bewegung und Speicherung von Wasser im Porenraum des Bodens sowie während der Verdunstung nach dem Ende der Dürre im Detail analysieren.

Können erhöhte CO2-Werte kurzfristig positive Effekte haben?

Unter erhöhten CO₂-Konzentrationen bleibt der Wurzelraum der Pflanzen feuchter, weil die Pflanzen Wasser effizienter nutzen. Hitze hingegen führt zu einem generellen Feuchtigkeitsverlust im Boden. Tritt Dürre in einem künftigen wärmeren Klima zudem wiederholt auf, kommt es zu starken Veränderungen der Bodeneigenschaften. „In diesen Szenarien wird das Wasser im Boden weniger gut durchmischt, da es hauptsächlich durch die großen, schnell entwässernden Poren fließt und weniger stark in die kleineren, langsam entwässernden Poren eindringt. Das ältere Wasser haftet dort zudem länger“, erläutert Jesse Radolinski. Dies beeinträchtigt die hydrologische Konnektivität, die für die Wasserversorgung von Pflanzen unerlässlich ist. Die Forschenden betonen, dass diese Einschränkung der Wasserflüsse im Boden weitreichende Konsequenzen für die Funktion und Resilienz von Grasland-Ökosystemen hat. Pflanzen sind gezwungen, sparsamer mit Wasser umzugehen, was ihre Fähigkeit, zu wachsen und sich langfristig zu regenerieren, einschränken könnte. „Gleichzeitig zeigt unsere Studie jedoch auch, dass erhöhte CO₂-Werte in der Atmosphäre kurzfristig positive Effekte haben können, zum Beispiel eine schnellere Erholung nach Dürren. Diese Effekte werden jedoch durch die negativen Auswirkungen zunehmender Erwärmung und Dürre auf die Bodeneigenschaften überlagert“, so Bahn.

Einzigartiges Experiment zur Untersuchung künftiger Klimaauswirkungen

„Unser Experiment ist einzigartig, weil wir seit 2014 experimentell die Bedingungen eines künftigen Klimas simulieren und somit die längerfristigen Effekte analysieren konnten“, betont Bahn. Die Forschenden nutzten eine einzigartige Versuchsanlage, die sie am landwirtschaftlichen Forschungsinstitut in Raumberg-Gumpenstein in der Steiermark konzipiert haben. Sie umfasst 54 Versuchsparzellen mit Strahlungsheizungen und CO₂-Begasungssystemen sowie automatischen Dächern, die den Regen abhalten können. Dadurch war es möglich, eine Reihe realistischer Klimaszenarien zu simulieren und die Wechselwirkungen zwischen Bodenwasser und Pflanzen im Detail zu untersuchen.

Komplexe Beziehung zwischen Boden und Pflanzen aufgedeckt

Die Hauptaussage der Studie ist, dass die hydrologische Konnektivität im Porensystem des Bodens durch wiederkehrende Dürrephasen dauerhaft gestört wird, was sich in einem wärmeren Klima mit erhöhtem CO2 besonders stark auswirkt. „Bisher ging man davon aus, dass sich Bodenwasser bei Regen gut durchmischt, doch unsere Ergebnisse zeigen, dass diese Durchmischung nach wiederholten Dürren in einem künftigen Klima stark eingeschränkt wird. Das hat erhebliche Auswirkungen auf die Wassernutzung der Pflanzen und die Dynamik von Ökosystemen“, erläutert Radolinski.
„Die Studie zeigt, dass die Wechselwirkungen zwischen Boden und Pflanzen weitaus komplexer sein könnten als bisher angenommen. Das hat wesentliche Auswirkungen auf die Fähigkeit von Ökosystemen, Dürren zu überstehen und sich davon zu erholen“, fasst Bahn zusammen. Die Ergebnisse der Studie unterstreichen einmal mehr die Notwendigkeit, Strategien zu entwickeln, um die Widerstandsfähigkeit von Ökosystemen gegenüber dem Klimawandel zu stärken, und die globalen Bemühungen im Klimaschutz voranzutreiben.

Kontakt
Michael Bahn
Institute of Ecology
University of Innsbruck
Telefon: +43 512 507 51360
E-Mail: michael.bahn@uibk.ac.at

Originalveröffentlichung
Jesse Radolinski, Matevz Vremec, Herbert Wachter, Steffen Birk, Nicolas Brüggemann, Markus Herndl, Ansgar Kahmen, Daniel B. Nelson, Angelika Kübert, Andreas Schaumberger, Christine Stumpp, Maud Tissink, Christiane Werner, Michael Bahn
Journal: Science
Artikel-Titel: Drought in a warmer, CO2-rich climate restricts grassland water use and soil water mixing
Veröffentlichungsdatum des Artikels: 16. Jan 2025
DOI: 10.1126/science.ado0734

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