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Universität Basel

27. August 2012

Die Baumgrenze – Pflanzenwachstum am Kältelimit

Oberhalb der alpinen Waldgrenze wachsen keine Bäume mehr. Doch für den Botaniker Christian Körner markiert die Waldgrenze mehr als den Übergang zum baumlosen Lebensraum: Sie steht für eine fundamentale Grenze des Pflanzenwachstums, wie er in seinem neuen Buch «Alpine Treelines» ausführt.

Ob in den Rocky Mountains, in Patagonien, am Kilimandscharo oder bei uns in den Alpen: Wenn es um Waldgrenzen geht, gelten überall die gleichen biologischen Prinzipien. Zu diesem Schluss kommt Prof. Dr. Christian Körner vom Departement Umweltwissenschaften der Universität Basel in seinem neuen Buch Alpine Treelines. Darin weist er nach, dass eine weltweit einheitliche Temperaturgrenze das Wachstum von Bäumen limitiert. Im folgenden Interview erklärt der Botaniker, weshalb Bäume nicht mehr wachsen können, wo andere Pflanzen noch gedeihen – und regt zu einem Paradigmenwechsel im Verständnis des Pflanzenwachstums an.

Herr Körner, Sie haben 15 Jahre über Baumgrenzen geforscht – was fasziniert Sie an diesem Thema?

Ich kann von Sibirien über den Äquator bis nach Australien gehen und ich finde immer einen Punkt, ab dem Bäume nicht mehr leben können. Baumgrenzen sind ein globales Phänomen, aber niemand hat bis heute den Mechanismus erklärt, der diese Grenze global reguliert. Bisher existierten nur regionale Erklärungen: Wo es viel Schnee gibt, dachte man, dass der lange Winter das Baumwachstum begrenzt; andere brachten Wassermangel oder die Höhe selbst ins Spiel. Mir ging es aber um das gemeinsame biologische Prinzip, welches das Baumwachstum limitiert.

Welche Faktoren bestimmen denn den Verlauf der Baumgrenze?

Die Baumgrenze ist eine temperaturbestimmte Grenze. Jede einzelne Pflanzenart hat ihr eigenes Limit – so mögen es Bananen etwa wärmer als Eichen. Darüber hinaus gibt es aber noch eine Grenze, wo ein Baum unabhängig von seiner Art nicht mehr weiter wachsen kann. Keine Pflanzenfamilie hat eine Art hervorgebracht, die über diese Grenze springen kann; sie ist etwas ziemlich Fundamentales.

Bei welcher Temperatur ist für Bäume Schluss?

Die Grenze liegt bei einer Mitteltemperatur während der Wachstumsperiode von 6,5 °C bei einer Mindestdauer von 90 Tagen. Wenn also während 90 Tagen eine durchschnittliche Temperatur von 6,5 °C herrscht, kann ein kälteangepasster Baum gedeihen. Ist es aber ein halbes Grad weniger, funktioniert das nicht mehr. Diese Bedingungen gelten für jeden Punkt der Welt, und damit können wir weltweit auf 40–50 Meter genau die Waldgrenze vorhersagen.

Warum können im Gebirge Sträucher wachsen, wo keine Bäume mehr sind?

Das hat mit der Grösse und Gestalt zu tun. Durch Baumkronen weht der Wind. Dadurch ist ein Baum aerodynamisch an die Atmosphäre gekoppelt, wie wir mit vielen Daten belegen können. Das heisst, er kann sich bei starker Sonne höchstens ein oder zwei Grad von der Umgebungstemperatur entfernen. Hingegen können die Alpenmatten mehr als zehn Grad wärmer als die Luft sein. Der Baum aber lebt so kalt, wie es die Wetterstation berichtet.

Dann spielt der Wuchs also eine grössere Rolle als die Art?

Ja. Ich meine, dass physiologisch alle kälteangepassten Pflanzen 'mit dem gleichen Wasser kochen'. Egal ob wir ein Wintergetreide auf einem Feld bei Basel betrachten, die höchststeigenden Alpenpflanzen oder Bäume an der Waldgrenze: Wenn die Temperatur ins Spiel kommt, gibt es für alle genau die gleiche Grenze, ab der sie kein neuen Zellen mehr bilden können. Die Bäume erreichen sie früher, weil sie im Wind stehen, die anderen Pflanzen später, weil sie sich ein eigenes Mikroklima schaffen.

Weshalb hören Pflanzen in der Kälte überhaupt auf zu wachsen?

Das ist die zentrale Frage, zu der es zwei Hypothesen gibt. Eine alte Theorie, die ich widerlege, besagt, dass ab einer bestimmten Kälte die Photosynthese nicht mehr in der Lage ist, genügend Zucker zu produzieren, damit die Pflanzen wachsen können. Die neue Theorie lautet, dass die Photosynthese auch unter 5 Grad gut funktioniert, dass aber in der Kälte die weitere Verwertung der Glucose, die eigentlichen Bauprozesse, nicht mehr gelingen. Mit diesem Ansatz haben wir einen weltweiten Paradigmenwechsel in der Diskussion über die Ursachen des Pflanzenwachstums bei Kälte und, analog, auch bei Dürre ausgelöst.

Worin besteht dieser Paradigmenwechsel?

Sämtliche Lehrbücher postulieren immer noch die Dominanz der Photosynthese, welche das Wachstum steuert. Wenn aber die Gewebebildung den Zucker nicht verarbeiten kann, staut er sich über kurz oder lang am Ort der Synthese und hemmt die biochemischen Prozessen. Das heisst, dass die Photosynthese davon abhängig ist, dass die Produkte weiterverarbeitet werden, was wiederum bedeutet, dass bei Kälte das Wachstum die Photosynthese steuert und nicht umgekehrt. Die Gewebebildung ist der entscheidende Faktor. In «Alpine Treelines» liefere ich am Beispiel der Baumgrenze nun eine Beweiskette, dass die Gewebebildung bei niedrigen Temperaturen zum Stillstand kommt. Insofern halte ich dieses Buch für das bedeutendste, das ich geschrieben habe, weil es einen grundsätzlichen Wandel im Verständnis von Pflanzenwachstum aufzeigt.

Wie genau stoppt die Kälte die Gewebebildung?

Wir wissen heute nicht, warum Pflanzen unter fünf Grad kein neues Gewebe bilden können. Die Aufgabe lautet nun, Projekte zu entwerfen und diese Grenze bis hinunter auf die molekularen Prozesse zu erklären.

Wenn die Temperatur die entscheidende Rolle spielt, lassen sich an der Waldgrenze klimatische Veränderungen ablesen?

Die Baumgrenze eignet sich hervorragend als Indikator. Studien an 300 Jahre alten Bäumen in der Zentralschweiz haben gezeigt, dass das Wachstum während der «Kleinen Eiszeit», also noch im 19. Jahrhundert, praktisch null war. Mit der Erwärmung zu Beginn des 20. Jahrhunderts haben die Bäume begonnen, etwas mehr zu wachsen. Und seit 1980 wachsen sie an der Waldgrenze etwa gleich schnell wie ein paar hundert Meter weiter unten im Bergwald.

Was heisst das für die Entwicklung der Waldgrenze?

Im Wald steckt heute das Potenzial zum Aufbruch nach oben. Der nächste Schritt ist nun, dass der Wald über Samen und Sämlinge langsam nach oben rückt. Wir rechnen mit 100 bis 200 Jahren, bis sich die Waldgrenze an einem neuen Punkt etabliert.

Merke ich davon etwas, wenn ich beim Wandern durch die Waldgrenze steige?

Stellen Sie sich zunächst die Frage, ob es sich um eine natürliche Waldgrenze handelt. Eine natürliche Lebensgrenze ist nicht wie mit einem Messer geschnitten, sondern da werden die Bäume über eine kurze Distanz von 30 bis 40 Metern kleiner und krüppeliger. Ist die Grenze sehr scharf, zeigt sich darin der Einfluss des Menschen. Wenn Sie eine natürliche Baumgrenze gefunden haben, dann beobachten Sie, was sich darüber tut, und sie werden überall in den Matten und zwischen den Zwergsträuchern junge Bäume finden. Die sind vielleicht hüfthoch, aber schon 30 oder 40 Jahre alt. Den Aufbruch des Waldes kann man sehen.

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