Inf.bl. Forsch.bereich Wald 6, 2001 1
6
ISSN 1424-5701
Wald
2001Swiss Federal Research Institute WSL
Informationsblatt Forschungsbereich
Eidg. Forschungsanstalt WSL CH-8903 Birmensdorf
Institut fédéral de recherches WSL Istituto federale di ricerca WSL
Abb. 1: Birmensdorfer «open-top»-Anlage mit Modellökosystemen und Abpumpvor- richtung für die Sickerwassergewinnung (Bild: Frank Hagedorn/WSL).
Der Wald in einer CO 2 -reicheren Zukunft
Erkenntnisse aus dem «Birmensdorfer Experiment» ICAT der COST Aktion 614
In den vergangenen 30 Jahren stieg die CO2-Konzentration in der Luft von 327 ppm (parts per million) bis auf 370 ppm stetig an. Die Bedeutung dieser schleichenden, vom Menschen verursachten CO2-Zunahme wird leider oft bagatellisiert. Obwohl Pflanzen dank Sonne, Wasser und Blattgrün CO2 zu organischer Substanz verarbeiten können, muss noch in diesem Jahrhundert mit einem weiteren Anstieg des atmosphärischen CO2 bis 600 ppm gerechnet werden. Der im folgenden beschriebene Versuch sowie zahlreiche andere Untersuchungen machen das Problem sichtbar und zeigen Risiken auf.
Jürg B. Bucher und Inga K. Bucher-Wallin CO2 der Luft zuzuführen, um die Pro- duktion zu steigern, hat in einigen Ge- wächshausbetrieben der Landwirt- schaft Tradition. Auch die seit über 10 Jahren mit krautigen Pflanzen durch- geführten Begasungsversuche mit er- höhter CO2-Konzentration bestätigen diese Erfahrung. Wurden solche Ver- suche – in der Regel nur über einige Monate – an Ästen von Bäumen oder an vertopften Bäumchen durchgeführt, so waren die Effekte allerdings kleiner
als bei landwirtschaftlichen Kultur- pflanzen.
Wie verhalten sich nun junge Bäu- me, wenn gleichzeitig CO2-Konzen- tration und Stickstoffangebot über meh- rere Jahre erhöht werden? Im Rahmen von COST 614 «Impact of elevated CO2 levels and Air pollution on Trees (ICAT)» ging ein Team von Wissen- schaftern der WSL, der ETH und ver- schiedener Universitäten des In- und Auslandes unter der Leitung von Chri- stian Brunold (Uni Bern) in einem vier- jährigen Versuch dieser Frage nach.
Aufgrund der Basler Untersuchungen von Christian Körner mit Tropenwald- und Fichtenwald-Modellökosystemen war bereits bei der Versuchsplanung klar, dass das neue Vorhaben bezüg- lich Komplexität und Naturnähe neue Massstäbe setzen musste. So entstand in der gerade neu erstellten «open-top»- Begasungsanlage der WSL unter der technischen Verantwortung von Wer- ner Landolt das sog. «Birmensdorfer Experiment» (Abb. 1). In 16 Kammern mit je einer geteilten Bodenwanne (Ly- simeter) wurden Fichten und Buchen unter kontrollierten Bedingungen er- höhten CO2-Konzentrationen (+200 ppm CO2) und/oder einem erhöhten Stickstoffangebot (+70 kg N/ha/a) aus- gesetzt. Die zwei- bis vierjährigen Bäu- me unterschiedlicher genetischer Her- kunft wuchsen zusammen mit Kraut-
Editorial
Noch sind uns die hehren Worte an- lässlich des Erdgipfels von Rio 1992 bestens in Erinnerung: wir müssen unsere Ressourcen nachhaltig nutzen und den weltweiten Anstieg der CO2- Konzentration und anderer Treibhaus- gase limitieren. Die Folgen der atmo- sphärischen Veränderungen sind be- stens bekannt: die Temperatur steigt, Witterungsextreme nehmen zu und Naturkatastrophen ereignen sich häu- figer. Der Lawinenwinter, die Über- schwemmungen und Stürme der letz- ten Jahre, waren sie Zeichen dieser klimatischen Entwicklungen? Ihre Auswirkungen in der Schweiz waren jedenfalls immens. Die Forschung soll nun in kürzester Zeit Erklärungen für komplexe Zusammenhänge liefern und darlegen, wie sich unsere Um- welt aufgrund der schleichenden Ver- änderungen in der Atmosphäre wan- delt und mit welchen Risiken wir in Zukunft leben müssen.
Seit längerer Zeit befasst sich die WSL intensiv mit dieser Problematik.
Sie arbeitet an mehreren nationalen und internationalen Forschungspro- jekten mit, so auch in der Aktion E21
«Beitrag der Wälder und der Forst- wirtschaft zur Minderung der Treib- hausgas Effekte» der European Co- operation in the Field of Scientific and Technical Research (COST). Er- ste Ergebnisse aus dem «Birmensdor- fer Experiment» dieses Grossprojek- tes stellen Ihnen Jürg Bucher und Inga Bucher-Wallin in ihrem Beitrag vor.
Martine Rebetez zeigt in ihrem Arti- kel, wie die Klimaerwärmung im 20.
Jahrhundert und insbesondere in den letzten Dekaden konkret in der Schweiz zugenommen hat.
Auch wenn noch längst nicht alle Fragen zu diesem Themenkomplex geklärt sind: wir alle sind aufgefor- dert, unseren Beitrag zur Verminde- rung des CO2-Ausstosses und zur nachhaltigen Nutzung der immer knapper werdenden Ressourcen zu leisten.
Oester Bernhard
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• Eine erhöhte CO2-Konzentrationen und ein grösseres Stickstoffangebot bewirken oft gegenteilige Effekte.
Auf dem sauren Boden reagierten die Modellökosysteme bezüglich Gesamt- biomasse nicht auf das erhöhte CO2- Angebot, wohl aber auf das erhöhte Stickstoffangebot. Gerade umgekehrt verhielt es sich auf dem kalkhaltigen Boden, wo die Gesamtbiomasse durch den vermehrten Stickstoff, im Gegen- satz zum CO2, nicht zunahm. Auf bei- den Böden profitierte die Fichte vom zusätzlichen CO2, während die Buche auf dem kalkhaltigen Boden kaum mehr
und auf dem sauren Boden sogar weni- ger Biomasse bildete. Das erhöhte Stickstoffangebot führte vor allem auf dem sauren Boden und insbesondere bei der Buche zu Wachstumssteige- rungen (Abb. 2). Bei der Fichte, nicht aber bei der Buche, beeinflussten zu- dem genetische Faktoren das Wachs- tumsverhalten.
Neben quantitativen Veränderungen in den Bäumen traten auch qualitative auf. Es änderte sich unter anderem das C/N-Verhältnis. Unter erhöhter CO2- Konzentration wurden Blätter stärke- reicher und proteinärmer. Dies veran- lasste Schwammspinnerraupen in ei- nem Zusatzexperiment zu stärkerem Frass. Diese Effekte kehrten sich unter N-Einfluss teils um. Ein weiterer qua- litativer Unterschied zeigte sich in der Bruchfestigkeit der Baumstämme:
Stickstoff liess Fichtenstämme brüchi- ger, CO2 bruchfester werden; bei der Buche war es gerade umkehrt.
Der saure Boden erwies sich als «N- begrenzt», der kalkhaltige als «CO2- begrenzt» und beinahe «N-gesättigt».
Dies erklärt einerseits das Wachstum der Bäume und anderseits die Auswa- schung der Nährstoffe mit dem Sicker- wasser. Trotz des hohen Stickstoffan- gebots in den N-Behandlungen kam es nur auf dem kalkhaltigen Boden zu namhaften Nitratauswaschungen. Wur- de CO2 allein oder in Kombination mit Stickstoff zugegeben, ging der Nitrat- gehalt im Bodenwasser drastisch zu- rück. Dies liess sich nur teilweise mit der Stickstoff-Aufnahme der Pflanzen erklären; die Böden scheinen bei er- höhtem CO2-Gehalt der Luft einen wesentlichen Teil des Nitrats zu bin- den. Verantwortlich dafür könnten Bodenmikroben sein. Ein CO2-Effekt wurde jedoch einzig bei den Mykor- rhizapilzen gefunden: im kalkhaltigem Boden wuchs das Myzel besser als im sauren Boden; in letzterem wurden dafür mehr Fruchtkörper produziert.
Aus Topfversuchen war bekannt, dass Bäume unter erhöhtem Einfluss von atmosphärischem CO2 die Spalt- öffnungen verengen und den Wasser- verbrauch reduzieren können. Dieses Verhalten zeigte sich auch in unserem Versuch, es hielt allerdings nur bei der Buche über 4 Jahre an. Während sich die Wasserverdunstung der Modellöko- systeme auf dem sauren Boden unter CO2-Einfluss reduzierte, stieg sie auf dem kalkhaltigen an. Auf beiden Böden erhöhte sich der Wassernutzungskoef- fizient, d.h. die produzierte Blattmasse pro Wasserverbrauch. Aus den Wech- selwirkungen resultierte auf dem sauren Boden eine kleine, aber signifikante Abb. 2: Behandlungseffekte durch erhöhtes CO2 (oben) und erhöhte Stickstoffdeposition
(unten) nach 4 Versuchsjahren auf die Kohlenstoff- (C) und Stickstoffaufnahme (N) in Fichte und Buche auf saurem (links) und kalkhaltigem Boden (rechts). Kursive Werte statistisch nicht signifikant. Dargestellt sind die gepoolten Biomasseverhältnisse der Behandlungen mit erhöhter CO2-Konzentration (oben) bzw. erhöhtem Stickstoffangebot (unten).
pflanzen in nährstoffarmen, sauren oder nährstoffreichen, kalkhaltigen Böden, die aus Wäldern bei Rüdlingen (Kt.
SH) bzw. Brugg (Kt. AG) stammten.
Böden und Baumarten ent- scheiden mit
Aus praktisch allen naturwissenschaft- lichen Teilprojekten schälten sich die gleichen, neuen Erkenntnisse heraus:
• Böden und Baumarten bestimmen mit, wie sich Waldökosysteme in einer CO2-reichen Zukunft weiter entwickeln.
Co2 -Effekt
Stickstoff-Effekt C: +21% –10%
N: + 9% –14%
C: +40% +19%
N: +30% +1%
Saurer Boden Kalkhaltiger Boden
C: +25% +52%
N: +36% +74%
C: +6% –5%
N: +15% +13%
Inf.bl. Forsch.bereich Wald 6, 2001 3 Résumé
Le projet suisse de l’Action COST
«ICAT» comprend des projets de re- cherche en sciences naturelles et humai- nes qui étudient l’influence de concen- trations élevées de CO2 et de dépôts accrus de substances azotées sur des écosystèmes-modèles. Dans un environ- nement enrichi en CO2, le type de sol et le mélange en espèces codétermineront le développement futur des forêts: les épicéas pourraient devenir plus concur- rentiels face aux hêtres sur les sols cal- caires et les sols acides. La biodiversité en sera modifiée. Les expérimentations réalisées avec des écosystèmes-modè- les permettent de sensibiliser un large public sur les problèmes environnemen- taux.
CO
2-Anstieg – ein globales Problem
Wassereinsparung mit höherer Boden- feuchtigkeit und grösseren Sickerwas- sermengen. Das durch CO2 induzierte beschleunigte Wachstum führte auf dem kalkhaltigen Boden zu grösserem Was- serverbrauch, trockenerem Boden und reduzierter Sickerwassermenge.
CO
2-Forschung im Licht der Öffentlichkeit
Das vom Bundesamt für Bildung und Wissenschaft und dem ETH-Rat unter- stützte Grossprojekt war in der CO2- Forschung übrigens etwas Besonderes, denn es verband naturwissenschaftliche Fragestellungen mit geisteswissen- schaftlichen.
Eine repräsentative Umfrage und eine qualitative Umfrage mit einem ausge- wählten Personenkreis ergaben, dass naturwissenschaftliche Erkenntnisse über die Medien in der Öffentlichkeit Lerneffekte auslösen können. Diese hängen allerdings weniger von der Art der Ereignisdarstellung ab als von der Bereitschaft der Öffentlichkeit, die Ergebnisse zu akzeptieren. Ökosystem- forschung und Modellversuche wie das
«Birmensdorfer Experiment» erlauben es breiten Bevölkerungskreisen, Um- weltprobleme erst wahrzunehmen. Die Bereitschaft, Umweltschutzmassnah- men zu befürworten ist deshalb hoch.
Bei Politikern hingegen scheint diese von der Einstellung zur Wissenschaft an sich abzuhängen.
Mit dem «Birmensdorfer Experi- ment» gelang es, die Komplexität von Waldökosystemen und deren Reaktio- nen auf zukünftige Veränderungen für eine breitere Öffentlichkeit nachvoll- ziehbar zu machen und Risiken aufzu- zeigen. Trotz weiterem Forschungsbe- darf muss mit Nachdruck gefordert werden, dass der CO2-Ausstoss ver- mindert wird.
Weiterführende Literatur
Brunold, C.; Balsiger, P.W.; Bucher, J.B.;
Körner, C. (Eds.) 2001: Wald und CO2. Ergebnisse eines ökologischen Modell- versuchs. Birmensdorf, Eidg. For- schungsanstalt WSL. Bern, Stuttgart, Wien; Haupt. 224 S. (im Druck).
Bucher-Wallin, I.K.; Sonnleitner, M.A.;
Egli, P.; Günthardt-Goerg, M.S.; Tar- jan, D.; Schulin, R.; Bucher, J.B., 2000:
Effects of elevated CO2, increased nitro- gen deposition and soil on evapotranspi- ration and water use efficiency of spruce- beech model ecosystems. Phyton 40:
49–60.
Hagedorn, F.; Bucher, J.B.; Tarjan, D.;
Rusert, P.; Bucher-Wallin I., 2000:
Responses of N fluxes and pools to ele- vated atmospheric CO2 in model forest ecosystems with acidic and calcareous soils. Plant Soil 224: 273–286.
Landolt, W.; Bucher, J.B.; Schulin, R.;
Körner, Ch.; Brunold, C., 1997: Effects of elevated CO2 concentration and N deposition on spruce-beech model eco- systems. Proc. Int. Conference on Im- pacts of Global Change on Tree Physiol- ogy and Forest Ecosystems: 317–324.
Kluwer, Dordrecht.
Wallner, A. 1999: Welche Rolle spielen na- turwissenschaftliche Untersuchungen in der öffentlichen Umweltdiskussion? Inf.bl.
Forsch.bereich Landsch. WSL 42: 1–3.
Wegen des weltweiten Anstiegs der Kon- zentration von CO2 und anderen Treib- hausgasen in der Luft verändert sich das Klima: die Temperaturen steigen, Perma- frostböden, Eisberge und Gletscher schmelzen, Witterungsextreme und Na- turkatastrophen (Überschwemmungen, Murgänge, Dürren) ereignen sich immer häufiger.
Bei derart globalen Problemen muss international nach Lösungen gesucht wer- den. Auf der politischen Ebene ist die UNO (United Nations Framework Con- vention on Climate Change, UNFCCC) und auf der wissenschaftlichen Ebene sind die WMO (World Meteorological Organi- sation) und das IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change) aktiv.
Im «Kyoto Protokoll» verpflichteten sich die Industriestaaten, bis 2010 ihren CO2-Ausstoss gegenüber 1990 um durch- schnittlich 5,2 % (CH: 8 %) zu reduzie- ren. CO2-Senken wie Aufforstungen und Landnutzungsänderungen sowie andere
Reduktionsmassnahmen können angerech- net werden (Zertifikatshandel). Auf der europäischen, wissenschaftlichen Ebene befasst sich erneut die European Co-ope- ration in the Field of Scientific and Tech- nical Research (COST) in der Aktion E21
«Beitrag der Wälder und der Forstwirt- schaft zur Minderung der Treibhausgas Effekte» mit diesen Fragen.
Die Schweiz und ihre Forscher sind in diesen Gremien über das Bundesamt für Umwelt, Wald und Landschaft (BUWAL) und das Forum für Klima und Klimaän- derung der schweizerischen Akademie für Naturwissenschaften (ProClim) ver- treten.
Links im Internet:
http://www.unfccc.de/, http://www.ipcc.ch/,
http://www.bib.fsagx.ac.be/coste21/, http://www.buwal.ch/klima/d/
welcomepage.htm, http://www.proclim.ch/
Folgerungen
Das ICAT-Projekt wollte wichtige Ein- blicke in biogeochemische Prozesse und Kreisläufe des Kohlenstoffs, ein- zelner Nährstoffe und des Wassers ge- ben. Mit 4 Jahren war der Versuch von vornherein zu kurz angelegt, um Koh- lenstoff-Umwandlungsprozesse im Boden und im Ökosystem zu erfassen.
Eine umfassende Kohlenstoffbilanz liess sich daher nicht erstellen. Wie andere Experimente zuvor konnte des- halb auch dieses auf die Frage, ob Wälder CO2-Senken sein können, kei- ne Antwort liefern.
Die unter erhöhtem atmosphärischen CO2 gefundenen Biomassezunahmen fielen geringer als erwartet aus, unter anderem weil die Bäume ihre anfäng- lich erhöhte CO2-Aufnahmerate im Versuchsverlauf reduzierten und der Stickstoff im Boden gebunden wurde.
Die Resultate dürfen nicht als Kohlen- stoff-Festlegungen im Ökosystem in- terpretiert werden, sie sind eher Zei- chen für ein beschleunigtes Baum- wachstum. Die von Bodentyp und Baumart abhängigen Reaktionen dürf- ten aber das Konkurrenzverhalten der Bäume beeinflussen und schliesslich die Biodiversität verändern. Diese kom- plexen Wechselwirkungen sollten, da Wälder in den globalen Kohlenstoffbi- lanzen eine wichtige Rolle spielen, in zukünftige mathematische Simula- tionsmodelle einfliessen.
