Dauer der Vegetationsperiode Herbstlaub im Klimawandel – früher oder später?

Der Herbst kommt heute fast eine Woche später als noch vor einigen Jahrzehnten. Mehr Zeit für die Laubbäume, um CO₂ aus der Luft zu binden und das Voranschreiten des Klimawandels etwas zu dämpfen. Doch dieser Trend wird weniger stark weitergehen als bisher erwartet: Forscher der ETH Zürich haben ein Limit der verlängerten Vegetationsperiode entdeckt. Wälder werden demnach in Zukunft doch nicht so viel CO₂ aufnehmen können wie bisher erwartet.

Zürich/Schweiz – Jedes Jahr werden wir Zeuge eines fantastischen Naturschauspiels: Dem Laubwechsel der Bäume. An seinem Lebensende im Herbst leuchtet das Laub in prächtigen gelb-roten Farben. Laubbäume in den gemäßigten Zonen bereiten sich dann auf den nahenden Winter vor. Sie stellen das Wachstum ein, entziehen dem Laub die Nährstoffe und lassen die Blätter allmählich abfallen. Dieser Alterungsprozess der Blätter wird Seneszenz genannt. Er markiert im Jahresablauf der Bäume das Ende der Vegetationsperiode, in der sie CO₂ aufnehmen und Photosynthese betreiben.

Klimawandel und Blattwechsel

Mit der Klimaerwärmung hat sich die Vegetationsperiode in den vergangenen Jahrzehnten allerdings verlängert: Europäische Bäume treiben im Frühling rund zwei Wochen früher aus als noch vor hundert Jahren. Im Herbst fallen die Blätter heute gut sechs Tage später. Insgesamt sind die Bäume also heute rund 20 Tage länger grün als noch vor einigen Jahrzehnten. Es wird allgemein erwartet, dass sich die Seneszenz in einem künftig wärmeren Klima weiter verspätet. Die Hoffnung: Bäume könnten so mehr CO₂ aus der Atmosphäre aufnehmen und dem voranschreitenden Klimawandel etwas mehr entgegenwirken.

Forscher der ETH Zürich kommen nun allerdings zu einem gegenteiligen Befund. In einer Studie haben sie bei Laubbäumen einen selbstregulierenden Mechanismus nachgewiesen, der die Vegetationsperiode begrenzt: Eine erhöhte Photosynthese im Frühjahr und Sommer lässt die Blätter im Herbst früher altern. Damit dürfte sich der herbstliche Blattfall in Zukunft wider Erwarten verfrühen – und nicht weiter verspäten.

Das Phänomen der limitierten Kohlenstoffsenke

Bislang ging die Wissenschaft generell davon aus, dass hauptsächlich die abnehmende Temperatur und Tageslänge im Herbst den Zeitpunkt der Blattseneszenz bestimmen. Zwar gab es bereits verschiedene Hinweise, dass der Blattaustrieb im Frühling mit dem Blattfall im Herbst verbunden sein muss. „Weil die Mechanismen aber unklar waren, berücksichtigen phänologische Modelle solche Effekte bestenfalls teilweise“, sagt Constantin Zohner, Studienleiter und Senior Scientist am Crowther Lab der ETH Zürich.

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Zohner vermutete, dass das Bindeglied zwischen Frühling und Herbst mit der saisonalen Photosynthese zu tun haben könnte – genauer: mit dem Phänomen der limitierten Kohlenstoffsenke. Dabei begrenzen unter anderem knappe Bodennährstoffe wie etwa Stickstoff die CO₂-Menge, die eine Pflanze während der Saison aufnehmen kann. Ist die maximale CO₂-Menge erreicht, setzt die Blattalterung entsprechend früher ein. Diese Rolle der Photosynthese bei der Steuerung der Blattseneszenz ist beispielsweise bei Getreide seit langem bekannt, wurde aber bisher nie an Bäumen getestet.

Untersuchungen im Wald und in Klimakammern

Die Basis der nun durchgeführten Studie bildeten Langzeitbeobachtungen von sechs europäischen Laubbaumarten während der vergangenen sechs Jahrzehnte. Anhand der Daten testete Zohners Team den relativen Einfluss verschiedener Faktoren auf den Zeitpunkt der Herbstseneszenz, darunter den Blattaustrieb im Frühling, die saisonale Photosynthese, CO₂-Konzentration, Temperatur und Niederschlag. Ergänzend führten die Forscher eine Reihe von Experimenten mit jungen Bäumen in Klimakammern und im Freien durch. So untersuchten sie Temperatur, Tageslicht und CO₂-Gehalt variieren und die jeweiligen Effekte auf Photosynthese und Blattseneszenz.

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Tatsächlich fanden die Wissenschaftler einen deutlichen Einfluss der saisonalen Photosynthese: Bei allen untersuchten Arten trat in den Jahren mit erhöhter Photosynthese im Frühjahr und Sommer auch die Seneszenz im Herbst früher ein, wobei eine zehn Prozent höhere Aktivität die Blattalterung um acht Tage vorzog.

Was den Laubwechsel wirklich antreibt

„Unsere Analysen legen nahe, dass die saisonale Photosynthese, die Herbsttemperatur und die Tageslänge primäre Treiber der Seneszenz sind“, sagt Erstautorin Deborah Zani. Die restlichen Faktoren würden kaum eine Rolle spielen. „CO₂-Gehalt, Sommertemperaturen, Lichtstärke und Niederschlag beeinflussen zwar die Photosynthese ganz direkt, wirken sich aber nur indirekt auf die Herbstseneszenz aus“, erklärt sie das Zusammenspiel der Kräfte.

Wärmere Herbste verzögern die Seneszenz tendenziell. Doch steigende CO₂-Konzentration, wärmere Sommerperioden und ein früherer Blattaustrieb erhöhen zusehends die Photosynthese im Frühling und Sommer. Dadurch füllen sich die limitierten Kohlenstoffspeicher – sind sie vorzeitig gesättigt, verfrüht das die Seneszenz, was der Verzögerungstendenz aufgrund höherer Herbsttemperaturen entgegenwirkt.

Das Herbstlaub kommt doch früher als gedacht

Zani und Zohner entwickelten ein neues Modell der Herbstphänologie, das alle Faktoren nach ihrem relativen Gewicht berücksichtigt. Dieses vermag den Zeitpunkt der Seneszenz der vergangenen sechs Jahrzehnte um bis zu 42 Prozent präziser zu datieren als frühere Modelle.

Zudem kehrt es deren Prognosen um: Bisher erwartete man, dass die Seneszenz bis Ende Jahrhundert zwei bis drei Wochen später auftritt. „Unser neues Modell legt das Gegenteil nahe: Wenn die Photosynthese weiter steigt, werden die Blätter im Lauf des Jahrhunderts um drei bis sechs Tage früher als heute altern – und nicht später“, sagt die Biologin Zani. Das bedeutet, dass sich die Wachstumssaison bis Ende des Jahrhunderts nur um acht bis zwölf Tage verlängern wird. „Das ist rund zwei bis drei Mal weniger als bisher gedacht“, ergänzt die Forscherin.

Hunderttausende Baumbeobachtungen als Datenbasis

Für ihre Forschung verwendeten die Wissenschaftler Daten des Pan European Phenology Project. Insgesamt werteten sie 434.000 phänologische Beobachtungen an 3800 Standorten in Mitteleuropa im Zeitraum von 1948 bis 2015 aus. Untersucht wurden sechs repräsentative Arten: Gewöhnliche Rosskastanie, Hänge-Birke, Rotbuche, Europäische Lärche, Stieleiche und Vogelbeerbaum.

Die Autoren verstehen ihre Studie als weiteren Hinweis darauf, dass Wälder der gemäßigten Zone nur begrenzt CO₂ aufnehmen könnten: „Die CO₂-Aufnahme wird mit steigenden Temperaturen wahrscheinlich weniger stark ansteigen, als ältere Modelle voraussagten“, sagt Zohner. Die Forscher wollen nun besser verstehen, wie verbreitet limitierte Kohlenstoffsenken in den Wäldern der Erde sind.

Originalpublikation: Zani D, Crowther TW, Mo L, Renner S, Zohner CM: Increased growing-​season productivity drives earlier autumn leaf senescence in temperate trees, Science, 27. Nov 2020: Vol. 370, Issue 6520, pp. 1066-1071; DOI: 10.1126/science.abd8911

* M. Keller, ETH Zürich, 8092 Zürich/Schweiz

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