Obwohl Michigans Zuckerahorne Acer saccharum von den wachstumsfördernden Wirkungen von Stickstoffverbindungen in der Umwelt profitieren, werden diese Gewinne die zusätzlichen Belastungen durch den Anbau in einem trockeneren Klima in der Zukunft nicht vollständig ausgleichen, laut einer neuen Studie der University of Michigan.

Zuckerahorn, bekannt für sein feuriges Herbstlaub und als Hauptquelle für Ahornsirup, ist eine dominierende Baumart in den nördlichen Hartholzwäldern im Osten Nordamerikas. Sie kommen hauptsächlich in feuchten, gut durchlässigen Böden vor und sind trockenheitsempfindlich.

Einige Klimaprognosen für die Region der oberen Großen Seen für die kommenden Jahrzehnte fordern wärmere Temperaturen und eine erhöhte Wahrscheinlichkeit von Sommerdürren, Bedingungen, die sich als Stress für Zuckerahorn und andere Bäume erweisen könnten.

Da sich das Klima jedoch weiter ändert, sind Wälder weltweit auch steigenden Mengen an wachstumsfördernden Stickstoffverbindungen ausgesetzt, die von Kraftfahrzeugen, Kraftwerken, Fabriken, der Landwirtschaft und anderen menschlichen Quellen erzeugt werden. Dieser vom Menschen stammende Stickstoff gilt aber auch als Schadstoff hat eine düngende Wirkung auf Bäumen, fördert das Wachstum.

Klimawissenschaftler und Waldökologen haben sich lange gefragt, ob die düngende Wirkung von Stickstoff aus menschlichem Ursprung ausreichen würde, um zusätzliche Belastungen durch ein wärmeres, trockeneres Klima auszugleichen. Diese Frage ist schwer zu beantworten, und frühere Studien kamen zu widersprüchlichen Ergebnissen.

Die neue UM-geführte Studie, die auf Daten aus 20 Jahren von vier Waldgebieten auf beiden Halbinseln von Michigan basiert, kommt zu dem Schluss, dass die Stickstoffablagerung durch menschliche Aktivitäten „die negativen Auswirkungen des Wachstums unter den prognostizierten trockeneren Klimazonen nicht vollständig kompensieren wird“.

In den kommenden Jahrzehnten sollten Michiganders laut der Studie mit einem geringeren Wachstum von Zuckerahorn im ganzen Bundesstaat rechnen. Und wenn sich die extremsten Klimavorhersagen für die Region als wahr erweisen, werden Zuckerahorne schließlich – über einen Zeitraum von Jahrhunderten – von der unteren Halbinsel des Bundesstaates vollständig verschwinden.

„Der hinzugefügte Stickstoff hilft ein bisschen, aber nicht genug“, sagte der Waldökologe von UM Inés Ibáñez, Hauptautor der Studie.

„Unter extremen Klimaszenarien wird der Anstieg des Stickstoffs das verringerte Wachstum der Zuckerahorne aufgrund von Wassermangel nicht kompensieren können“, sagte Ibáñez.

Das Verständnis, wie verschiedene Baumarten auf wärmere und trockenere Bedingungen reagieren, ist für die Erstellung genauer Prognosen des zukünftigen Waldwachstums von entscheidender Bedeutung. Und das ist wichtig zu wissen, denn die Wälder der Welt entfernen etwa ein Viertel des wärmespeichernden Kohlendioxids, das jährlich durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe in die Atmosphäre emittiert wird.

Wenn sich das Waldwachstum als Reaktion auf Klimastress verlangsamt, werden diese Bäume weniger Kohlendioxid entfernen, was das Erwärmungsproblem verschärfen wird. Und nördliche Wälder auf der ganzen Welt sind besonders wichtige Kohlenstoffsenken, die riesige Mengen aus der Luft entfernen und in Baumholz und Waldböden speichern.

„Der Großteil des an Land gespeicherten Kohlenstoffs befindet sich in Wäldern“, sagte der Waldökologe und Co-Autor der Studie von UM Donald Zak. „Und wie die Wälder in Zukunft wachsen, wird die Menge des vom Menschen stammenden Kohlendioxids beeinflussen, das in der Atmosphäre verbleibt. Das wiederum wird einen Rückkopplungseffekt auf die globalen Temperaturen haben.

„Deshalb sind diese Fragen zum Waldwachstum so wichtig. Und der einzige Weg, einige der Antworten zu erhalten, ist die Art von langfristiger ökologischer Forschung, die in dieser Studie verwendet wird.“

Um die kombinierten Auswirkungen der vom Menschen stammenden Stickstoffablagerung und des Klimawandels auf das Baumwachstum zu bewerten, verwendeten Ibáñez, Zak und ihre Kollegen Daten aus einer staatlich finanzierten Studie zur Stickstoffablagerung an vier Untersuchungsstandorten in Michigan-Hartholzwäldern, darunter einer an der UM Biological Station in der Nähe von Pellston, Mich.

Die vier Standorte sind durch 300 Meilen voneinander getrennt und erstrecken sich über die Nord-Süd-Verteilung der nördlichen Hartholzwälder, von der zentral-westlichen Lower Peninsula bis zur nordwestlichen Upper Peninsula. Die Michigan Gradient Study wurde 1987 ins Leben gerufen, um die Auswirkungen des Klimas und der atmosphärischen Ablagerung auf das Waldwachstum und die Ökosystemprozesse in der Region der Großen Seen zu untersuchen. Zak ist einer der Hauptermittler des Projekts.

Seit 1994 fügen Projektforscher solid Natriumnitrat, eine Stickstoffverbindung, die in Düngemitteln verwendet wird, in die Böden einiger der Grundstücke der Michigan Gradient Study, um die bis zum Ende dieses Jahrhunderts erwartete Stickstoffablagerung zu simulieren. Ein Großteil des von Menschen in die Atmosphäre abgegebenen Stickstoffs fällt später in Form von Regen, Schnee und Staub auf die Erde zurück.

Für die Studie berichtet in Ökologieanalysierten die Forscher die kombinierten Auswirkungen von Stickstoffeintrag, Sommertemperatur und Bodenfeuchtigkeit auf das Wachstum von Zuckerahorn. Sie verwendeten Aufzeichnungen von 1,016 Bäumen, die im Zeitraum 1994-2013 gesammelt wurden.

Der große Umfang der Michigan-Gradientenstudie, sein ungewöhnliches experimentelles Design und neue statistische Werkzeuge ermöglichten es den Forschern, die Auswirkungen von vom Menschen stammendem Stickstoff auf das Baumwachstum von denen zu trennen, die mit Temperatur- und Wasserbeschränkungen verbunden sind – etwas, das frühere Studien nicht leisten konnten, sagte Zak.

Die Ergebnisse zeigen, dass in allen Fällen zugesetzter Stickstoff das gemessene Baumwachstum verstärkte, ein Effekt, der mit steigenden Temperaturen und abnehmender Bodenfeuchtigkeit verstärkt wurde. Darüber hinaus simulierten die Forscher zukünftige Wachstumsraten für jeden Baum unter zwei zuvor für die Region der oberen Großen Seen entwickelten Klimaszenarien.

Szenario Eins sieht moderate Veränderungen bis 2100 vor: einen Temperaturanstieg von 1.3 Grad Fahrenheit und eine 14-prozentige Zunahme der Sommerniederschläge. Dieses Szenario geht davon aus, dass die globalen Kohlendioxidemissionen irgendwann umkehren und zu sinken beginnen.

Szenario 10 geht davon aus, dass die aktuellen Kohlendioxidemissionen auch in Zukunft anhalten, was zu extremeren klimatischen Veränderungen in der Region führt: einem Temperaturanstieg von etwa 40 Grad Fahrenheit und einem Rückgang der Sommerniederschläge um 2100 Prozent bis XNUMX.

Die Computersimulationen zeigten, dass das Wachstum des Zuckerahorns unter Szenario Eins leicht beeinträchtigt würde, insbesondere an den wärmeren südlichen Standorten. Die Ergebnisse für Szenario Zwei zeigten einen großen und durchweg signifikanten Wachstumsrückgang für Zuckerahorne an allen vier Standorten und für alle Parzellen – diejenigen, die mit dem Stickstoffdünger behandelt wurden, sowie unbehandelte Parzellen. Unter den Bedingungen von Szenario XNUMX sind dreifache Abnahmen der Wachstumsraten möglich.

In Szenario Zwei würden Zuckerahorne schließlich von der unteren Halbinsel von Michigan verschwinden, obwohl die Veränderungen wahrscheinlich über mehrere Jahrhunderte hinweg eintreten würden, sagte Ibáñez. In diesem Fall könnte der von Zuckerahorn und Buche dominierte nördliche Laubwald durch einen Eichen-Hickory-Wald ersetzt werden, der besser an Trockenheit angepasst ist, aber nicht so viel Kohlenstoff aus der Atmosphäre entfernt.

„Die Kohlenstoffbindung ist ein enormer Dienst, den uns die Wälder leisten, und ist sehr wichtig für jede Art von Klimaregulierung in der Zukunft“, sagte Ibáñez. „Wenn Dürrebedingungen in Zukunft die Produktivität der Wälder von Michigan verringern, wird auch ihre Fähigkeit, Kohlenstoff zu binden, darunter leiden.“

Dem scheint zuzustimmen eine weitere aktuelle Studie über Weißfichte (Picea glauca), die eine moderate thermische Akklimatisierung der Atmung, aber keine Hinweise auf eine thermische Akklimatisierung der Photosynthese oder eine lokale genetische Anpassung für Merkmale im Zusammenhang mit der thermischen Akklimatisierung zeigten.