Auswirkungen des Klimawandels auf Ökosysteme

Im Rahmen des anthropogenen Klimawandels haben sich die globalen Durchschnittstemperaturen zwischen den Zeitintervallen 1850-1919 und 2001-2005 um 0,78°C erhöht (siehe dazu aktuelle Klimaänderungen). Für die Zeit 2090-2099 im Vergleich zu 1980-1999 wird je nach Szenario eine weitere Erhöhung um ca. 1,8-4°C prognostiziert (siehe dazu Klima im 21. Jahrhundert). Der Trend zur Erwärmung ist dabei regional unterschiedlich stark ausgeprägt. Auch die globalen Niederschlagsmuster, die natürlichen Schwankungen im Klimasystem (z.B. NAO und ENSO) sowie auch die Häufigkeit und Intensität von Extremereignissen verändern sich durch den anthropogenen Klimawandel. Es wird erwartet, dass die prognostizierten Klimaveränderungen einen erheblichen Einfluss auf Ökosysteme haben werden. Einerseits beeinflussen die Veränderung klimatischer Faktoren wie Niederschlag oder Temperatur direkt die Ökologie bestimmter Arten. Andererseits verändern sich im Rahmen des Klimawandels auch weitere Faktoren (Zeitpunkte phänologischer Ereignisse, Nahrungsbeziehungen, Landschaften usw.), die sich ebenfalls auf die Ökologie einer Art auswirken. Eine Art kann durch eine Veränderung bzw. Verlagerung ihres Verbreitungsgebietes oder durch Adaption, also genetische anpassung, auf sich verändernde Lebensbedingungen reagieren. Durch Veränderungen von Verbreitungsgebieten oder Adaption verschiedener Arten verändern sich auch Strukturen und Funktionen ganzer Ökosysteme. Die Auswirkungen des Klimawandels auf Ökosysteme sind somit sehr komplex. Bereits heute können in der Biosphäre Veränderungen beobachtet werden, die auf den aktuellen Klimawandel zurückzuführen sind. So haben sich frühjahrsphänologische Ereignisse (jährlich im Frühjahr wiederkehrende Entwicklungsphasen in der Biosphäre) wie z.B. Blüte und Blattentfaltung in Europa im Zeitraum zwischen 1969-2003 um ca. 7 Tage verfrüht. Veränderungen phänologischer Ereignisse können sich wiederum auf trophische Interaktionen also auf Nahrungsbeziehungen in Ökosystemen auswirken. So können Schmetterlingsraupen beispielsweise den Blattaustrieb ihrer Nahrungspflanze verpassen wenn dieser verfrüht stattfindet und so ihre Nahrungsquelle verlieren. Es wird weiterhin angenommen, dass es durch den anthropogenen Klimawandel generell zu einer Verschiebung der Verbreitungsgebiete sämtlicher Arten nach Norden und in größere Höhen kommt. Allerdings stellen nicht nur klimatische Faktoren wie Niederschlag und Temperatur sondern auch trophische Interaktionen eine Voraussetzung für die Verbreitung einer Art dar. Beispielsweise ist das Verbreitungsgebiet des Natterwurzperlmutterfalters von der Verbreitung seiner Nahrungspflanze im Raupenstadium, dem Schlangen-Knöterich, abhängig. Verändern sich im Rahmen des Klimawandels die Klimahüllen (Bereiche, in denen eine Art hinsichtlich klimatischer Faktoren gedeihen kann) beider Arten, kann dies zu einer erheblichen Verkleinerung des Verbreitungsgebietes des Falters führen. Weiterhin kann es im Rahmen des anthropogenen Klimawandels auch zu evolutionären Prozessen kommen. Arten können sich an sich verändernde klimatische Bedingungen (z.B. höhere Temperaturen) und klimatisch induzierte Veränderungen (z.B. Veränderung der Landschaft oder trophischer Interaktionen) anpassen.

Veränderungen phänologischer Ereignisse und trophische Interaktionen

Im Rahmen des anthropogenen Klimawandels verändert sich der Zeitpunkt verschiedener phänologischer Ereignisse (siehe dazu Phänologie). Besonders im Frühjahr sind pflanzenphänologische Phasen stark temperaturabhängig. Höhere Temperaturen im späten Winter und zeitigen Frühjahr führen entsprechend zu einer Verfrühung von Blattaustrieb und Blüte. Späte phänologische Phasen wie Blattverfärbung und Blattabfall weisen dagegen einen Trend zur Verspätung auf. Höhere Temperaturen im Herbst können dazu führen, dass Pflanzen ihre physiologischen Prozesse länger aufrechterhalten können wobei die phänologischen Phasen im Herbst jedoch weniger stark temperaturabhängig sind als im Frühjahr. Tatsächlich können bereits heute Veränderungen verschiedener phänologischer Phasen beobachtet werden. So haben sich beispielsweise Blattaustrieb und Blüte in Nordamerika in den letzten 30-50 Jahren um 1,2-2 Tage pro Jahrzehnt und in Europa um 1,4-3,1 Jahre pro Jahrzehnt verfrüht. Der Beginn der Vegetationsperiode hat zwischen 1969 und 2003 in Europa um ca. 7 Tage verfrüht und das Ende der Vegetationsperiode um durchschnittlich 3 Tage verspätet. In den erfassten 35 Jahren hat sich die Vegetationsperiode somit um ca. 10 Tage verlängert. Diese Veränderungen phänologischer Phasen beeinflussen Ökosysteme in vielerlei Hinsicht. So führt die Verlängerung der Vegetationsperiode beispielsweise zu einer erhöhten Produktivität von Wäldern und somit zu einer Veränderung des Kohlenstoffkreislaufes. Dabei ist besonders der frühere Beginn der Wachstumsperiode relevant, da die Wachstumsbedingungen von Bäumen durch stärkere Sonneneinstrahlung und bessere Wasserversorgung im Frühjahr besser sind als am Ende der Vegetationsperiode. Durch eine weitere globale Erwärmung wird eine weitere Verlängerung der Vegetationsperiode erwartet, so dass sich der Trend einer verstärkten Biomasseproduktion vor allem in nördlichen Regionen wahrscheinlich weiter verstärken wird. Neben der Veränderung von Stoffkreisläufen kann die Veränderung phänologischer Phasen auch trophische Interaktionen beeinflussen. Beispielsweise sind die Raupenstadien verschiedener Schmetterlingsarten auf frisch entfalteten Blättern bestimmter Bäume als Nahrungsquelle angewiesen. Dies liegt im Wesentlichen an der Blattqualität, die sich im Verlauf der Vegetationsperiode verändern (z.B. Blatthärte und chemische Zusammensetzung der Blätter). Ihre Populationsgröße ist also stark davon abhängig, dass in der Zeit in der sie fressen junge Blätter verfügbar sind. Kommt es im Rahmen des Klimawandels zu einer Verlagerung entscheidender phänologischer Ereignisse (z.B. Blattentfaltung und Schlupf der Raupen), kann diese Nahrungsbeziehung gestört oder sogar zerstört werden – mit erheblichen Folgen für die Schmetterlingspopulation. Eine Veränderung pflanzenphänologischer Ereignisse kann also auch höhere trophische Level beeinflussen. Auch weitere trophische Ebenen und Interaktionen können durch eine Veränderung phänologischer Ereignisse beeinflusst werden. Beispielsweise wird der Bruterfolg des Goldregenpfeifers vom Zeitpunkt an dem Schnaken (Beuteinsekt der Vögel) schlüpfen, beeinflusst. Es wird erwartet, dass es am Ende dieses Jahrhunderts zu einer Asynchronität zwischen der ersten Eiablage der Vögel und dem Erscheinen von Schnacken kommen kann. Dies würde sich negativ auf den Erfolg früher Bruten des Goldregenpfeifers auswirken.

Trophische Interaktionen und Arealverschiebungen

Trophische Interaktionen, also Nahrungsbeziehungen zwischen Organismen, werden auf vielfältige Weise vom Klimawandel beeinflusst. Neben phänologischen Veränderungen (siehe oben) können sich klimatische Veränderungen auch anderweitig auf Nahrungsbeziehungen auswirken. Ein Beispiel stellt die Vogel-Lemming-Hypothese von Roselaar und Summers dar. Demnach ist der Bruterfolg bodenbrütender Vögel in der Tundra von der Häufigkeit von Lemmingen abhängig. Zwischen den Populationen der Lemminge und deren Prädatoren, vor allem dem arktischen Fuchs, besteht eine Räuber-Beute-Beziehung. Ist die Lemmingpopulation hoch, steigt die Populationsgröße der Prädatoren an woraufhin die Populationsgröße der Lemminge wieder zurückgeht. Wenn die Lemmingpopulation klein ist und die der Prädatoren noch hoch, greifen die Prädatoren auf Eier und Küken der bodenbrütenden Vögel als alternative Nahrungsquelle zurück. Entsprechend ist der Bruterfolg der Vögel in Jahren mit großer Lemmingpopulation am höchsten. Kleine Säugetiere in der arktischen Tundra (z.B. Lemminge) sind im Winter von einer tiefen Schneedecke abhängig, da diese sie vor extremer Kälte und vor Prädatoren schützt. Im Rahmen des anthropogenen Klimawandels kommt es allerdings zu einer Verringerung der Schneetiefe. Zudem verkürzt sich der jährliche Zeitraum der Schneebedeckung. Durch diesen Effekt kann es zu einer Verringerung der Lemmingpopulationen kommen, was sich auf den Bruterfolg der bodenbrütenden Vögel auswirken würde. Sämtliche Nahrungsbeziehungen innerhalb eines Ökosystems können durch den anthropogenen Klimawandel beeinflusst werden. So kann eine Veränderung des Verhältnisses von Photoperiode und Temperatur das Laichverhalten von Ästuarbewohnern (Ästuare sind Trichtermündungen von Flüssen im Gezeitenbereich) verändern. Dadurch können weitere Effekte angestoßen werden, die letztlich bestehende Nahrungsnetzwerke in Ästuaren verändern. Da Ästuare einen wichtigen Nahrungsgrund für überwinternde Watvögel darstellen sind auch höhere trophische Ebenen betroffen. Auch die Verbreitung von Parasiten, Vektoren und Krankheiten wird durch den Klimawandel beeinflusst (siehe dazu z.B. Malaria, Zecken als Krankheitsüberträger) und kann erhebliche Folgen für Ökosysteme haben. Weiterhin können trophische Beziehungen und deren Beeinflussung durch den Klimawandel auch das Verbreitungsgebiet einer Art begrenzen. Das Verbreitungsgebiet des Natterwurzperlmutterfalters ist beispielsweise einerseits durch abiotische Faktoren und andererseits durch das Verbreitungsgebiet der Nahrungspflanze seiner Raupen, des Schlangen-Knöterichs, begrenzt. Derzeit kommt der Falter vorwiegend in Zentraleuropa, den baltischen Staaten und in Südfinnland vor. In diesen Bereichen überschneidet sich das Verbreitungsgebiet des Knöterichs mit dem Gebiet, in dem der Falter potenziell vorkäme, wenn er nicht von seiner Nahrungspflanze abhängig wäre. Modellberechnungen ergeben, dass das Verbreitungsgebiet des Falters unter der Annahme, dass beide Arten kein Ausbreitungspotenzial hätten, wahrscheinlich stark schrumpfen wird. Wäre das Ausbreitungspotenzial beider Arten unbegrenzt, würden vor allem in Skandinavien neue Überschneidungsgebiete entstehen. Das Ausbreitungspotenzial stellt somit eine zentrale Größe hinsichtlich der Prognose zukünftiger Verbreitungsgebiete dar.

Evolution

Empirische Befunde zeigen, dass eine Adaption, also eine genetische Anpassung, an sich verändernde klimatische Bedingungen in Raten stattfindet, die für den aktuellen Klimawandel relevant sind. Beispielsweise hat sich der Waldfrosch (Rana sylvatica) auf lokaler Ebene innerhalb von 40 Jahren an höhere Temperaturen in seinem Lebensraum angepasst. Dabei hat sich seine Temperaturtoleranz, Temperaturpräferenz und seine temperaturabhängige Entwicklungsgeschwindigkeit verändert. Adaption stellt also neben demographischen Veränderungen (z.B. Arealverschiebung) eine weitere mögliche Reaktion einer Art auf den Klimawandel dar. Es gibt jedoch eine Reihe von Faktoren, die Adaption als Reaktion auf den Klimawandel behindern. Lange Generationszeiten können eine schnelle Adaption hemmen. Auch kleine Populationen stellen ein Hindernis für Selektionsprozesse und somit für eine Adaption dar, da sie ein geringeres Maß an genetischer Vielfalt aufweisen. Natürliche Selektion kann nur dann stattfinden, wenn in der Population unterschiedliche Allele eines Merkmals vorliegen. Weiterhin kann es zu einer Erosion genetischer Vielfalt kommen. Eine Art kann auf sich verändernde klimatische Bedingungen zunächst stark durch Adaption reagieren. Dieser Prozess kann sich jedoch mit der Zeit verlangsamen, da es durch Selektionsprozesse zu einem Verlust genetischer Vielfalt kommen kann. Anhand kurzfristiger Reaktionen kann somit kein langfristiger Trend prognostiziert werden.

Siehe auch

• Ökosystem
• Verbreitung der Arten
• alpine Ökosysteme
• marine Ökosysteme
• arktische Ökosysteme
• Klimawandel und Zugvögel