Klimawandel beeinflusst Hitzeschutzmechanismen von Amazonas-Bäumen und verändert die Atmosphärenchemie
Eine aktuelle Untersuchung, durchgeführt vom Max-Planck-Institut für Biogeochemie in Jena und dem Nationalen Institut für Amazonasforschung (INPA) in Brasilien, zeigt, dass Bäume im zentralen Amazonas-Regenwald auf klimabedingten Stress mit einer erhöhten Emission flüchtiger organischer Verbindungen (VOCs) reagieren. Diese Emissionen wirken sich auf die chemische Zusammensetzung der Atmosphäre aus. Die Studie wurde in Nature Communications Earth & Environment veröffentlicht.
Zentrale Erkenntnisse
- Mit steigenden Temperaturen erhöhen die Blätter die Freisetzung hochreaktiver, kohlenstoffreicher VOCs wie Monoterpene und Sesquiterpene.
- Laubabwerfende Baumarten zeigen eine stärkere Zunahme der VOC-Emissionen als immergrüne Arten.
- Die verstärkte VOC-Abgabe führt zu einem erhöhten Kohlenstoffverlust aus der Biosphäre in die Atmosphäre.
- Zukünftige Temperaturanstiege und häufigere Hitzewellen könnten über VOC-Emissionen den Kohlenstoffkreislauf und die Atmosphärenchemie im Amazonas-Regenwald verändern.
Bedeutung des Amazonas-Regenwaldes für den Kohlenstoffkreislauf
Der Amazonas-Regenwald stellt einen der größten Kohlenstoffspeicher weltweit dar und ist gleichzeitig die bedeutendste Quelle biogener flüchtiger organischer Verbindungen. Diese kohlenstoffhaltigen Gase werden von Pflanzen produziert und dienen als Schutzmechanismus gegen verschiedene Stressfaktoren wie oxidative Schäden oder Fraßfeinde. In der Atmosphäre reagieren VOCs schnell mit anderen Gasen, beeinflussen die Bildung von Aerosolen und Wolken und wirken sich somit auf das regionale Klima und Niederschlagsmuster aus.
Untersuchung am Amazon Tall Tower Observatory (ATTO)
Im Rahmen der Studie wurden am ATTO im abgelegenen Amazonasgebiet Emissionen verschiedener VOCs bei unterschiedlichen Temperaturen gemessen. Zudem analysierten die Forschenden physiologische Merkmale der Bäume, die mit Photosynthese und Hitzetoleranz zusammenhängen. Dabei wurden zwei ökologische Gruppen mit unterschiedlichen Blattwechselstrategien verglichen:
- Immergrüne Bäume: Tragen das ganze Jahr über Blätter.
- Laubabwerfende Bäume: Entlauben ihre Kronen einmal jährlich während der Trockenzeit, jedoch nur für etwa einen Monat, was deutlich kürzer ist als bei Laubbäumen in gemäßigten Zonen.
Ergebnisse der VOC-Emissionen und Hitzetoleranz
Die Messungen zeigten, dass bei höheren Temperaturen die Emissionen von VOCs deutlich ansteigen. Zudem verändert sich das Emissionsprofil: Statt hauptsächlich Isopren (fünf Kohlenstoffatome) werden vermehrt Monoterpene (zehn Kohlenstoffatome) und Sesquiterpene (fünfzehn Kohlenstoffatome) freigesetzt. Diese Verschiebung ist besonders bei laubabwerfenden Arten ausgeprägt. Monoterpene und Sesquiterpene sind chemisch sehr reaktiv und können atmosphärische Prozesse maßgeblich beeinflussen. Die Zunahme der Emissionen kohlenstoffreicher Verbindungen führt zu einem stärkeren Kohlenstoffaustritt aus dem Wald in die Atmosphäre.
Dr. Michelle Robin, Erstautorin der Studie, erläutert: „Verschiedene Baumarten nutzen unterschiedliche Strategien zur Bewältigung von Hitzestress.“ Laubabwerfende Arten, die Isopren emittieren, zeigten höhere Photosyntheseraten, was auf eine Schutzfunktion der VOCs hinweist. Immergrüne Arten ohne Isopren-Emissionen verfügen über eine höhere Stomata-Permeabilität, was eine Verdunstungskühlung ermöglicht, sowie eine stabilere Hitzetoleranz der photochemischen Prozesse. Dies deutet auf eine physiologisch stabilitätsorientierte Strategie hin.
Anpassungsmechanismen und zukünftige Entwicklungen
Frühere Untersuchungen haben gezeigt, dass das Abwerfen von Blättern während der Trockenzeit als Schutz gegen Dürre und Fraßfeinde dient. Laubabwerfende Bäume könnten daher generell widerstandsfähiger gegenüber Hitze- und Trockenstress sein. Wichtig ist, dass Bäume ihre Strategien flexibel anpassen können; auch normalerweise immergrüne Arten können bei Stress Laub verlieren. Angesichts der prognostizierten Erwärmung und häufigerer Hitzewellen könnte sich der Amazonaswald verstärkt in Richtung laubabwerfender Vegetation entwickeln, was mit einer potenziellen Zunahme der VOC-Emissionen einhergeht.
Verbesserung von Emissionsmodellen
Die Forschenden überprüften zudem, ob die Einbeziehung von Blattwechselstrategien die Genauigkeit von Isopren-Emissionsmodellen verbessert. Herkömmliche Modelle überschätzen häufig die Isopren-Flüsse. Dr. Eliane Gomes Alves, Projektleiterin am Max-Planck-Institut, fasst zusammen: „Modelle, die phänologische Anpassungen basierend auf Feldmessungen am ATTO-Standort berücksichtigen, liefern realistischere Schätzungen der VOC-Emissionen.“
Ausblick
Klimamodelle prognostizieren für die kommenden Jahrzehnte steigende Temperaturen und häufigere Hitzeextreme im Amazonasgebiet. Die vorliegenden Ergebnisse legen nahe, dass sich dadurch die Kohlenstoffspeicherung in den Bäumen verändert, bedingt durch die Menge und Art der freigesetzten VOCs. Da diese Emissionen die Atmosphärenchemie, Aerosolbildung, Wolkenentwicklung und den globalen Kohlenstoffkreislauf beeinflussen, können bereits kleine Veränderungen im Emissionsmuster regionale und möglicherweise globale Klimaprozesse modulieren.
Kontakt für wissenschaftliche Rückfragen
Michelle Robin Carneiro de Rezende
Postdoktorandin
Max-Planck-Institut für Biogeochemie
Telefon: +49 3641 57-6194
Mobil: +49 176 80138563
E-Mail: mcarneiro@bgc-jena.mpg.de
Dr. Eliane Gomes Alves
Projektleiterin
Max-Planck-Institut für Biogeochemie
Telefon: +49 3641 57-6189
E-Mail: egomes@bgc-jena.mpg.de
