Wälder im Klimawandel

Temperierter Wald in Oregon, USA.

Die Wälder der Erde bedecken etwa 42 Millionen km² bzw. 30% der globalen Landfläche, wobei in den Tropen 42 %, in den gemäßigten Breiten 25 % und in den borealen Gebieten 33 % der Landoberfläche mit Wald bedeckt sind. Wälder sind von großer Bedeutung für das menschliche Leben und Wirtschaften und stellen einer der artenreichsten Ökosysteme dar. Sie liefern Holz für Brenn- und Bauzwecke, stellen ein bedeutendes Trinkwasserreservoir dar, besitzen einen hohen Erholungswert und spielen im gegenwärtigen Klimawandel eine wichtige Rolle als Kohlenstoffsenke.

Veränderung der Waldfläche

In den mittleren Breiten hat die Rodung von Wäldern schon sehr früh eingesetzt. In Europa wurde bereits seit der Antike das regionale Klima auf diese Weise z.T. nachhaltig verändert. So wurden vor bereits 2000 Jahren umfangreiche Rodungen im Mittelmeerraum vorgenommen, um Ackerland zu gewinnen oder Bauholz für Schiffe und Häuser zu schlagen. Die Folge war eine weit reichende Entwaldung des gesamten Mittelmeerraumes. Heute sind große Teile der Wälder in Europa, China und den östlichen USA für die ackerbauliche Nutzung beseitigt. In den Tropen ist die Waldrodung in großem Stil erst seit etwa einem halben Jahrhundert von Bedeutung. Ursachen sind die Gewinnung von Tropenholz, die Anlage von Rinderweiden oder von Sojafeldern. Alle tropischen Wälder der Erde umfassten 1990 17,6 Mio km²; in den 1990er Jahren gingen davon 152 000 km² pro Jahr verloren.

Wichtige Beziehungen zwischen Wald und Klima

Bedeutung von Wäldern im Klimasystem

Wälder und Kohlendioxid

Wälder sind nicht nur ein wichtiger Ressourcenlieferant und Erholungsraum für den Menschen, sondern auch ein bedeutender Faktor im Klimageschehen. Das ist schon darin begründet, dass Wälder dominierend an dem Kohlenstoffaustausch zwischen den terrestrischen Ökosystemen und der Atmosphäre beteiligt sind. Wälder nehmen CO₂ direkt aus der Atmosphäre auf, da sie es zum Wachsen brauchen. In Wäldern sind 45 % des globalen terrestrischen Kohlenstoffs gespeichert, allein in den tropischen Wäldern 25 %. Bei der Veratmung geben sie einen Teil davon wieder direkt ab, weitere Teile werden bei der Verrottung von Pflanzenteilen emittiert. Bäume, die im Wachstum begriffen sind, oder eine sich ausdehnende Pflanzendecke nehmen mehr Kohlendioxid auf, als sie abgeben. Bei absterbenden Bäumen oder der Verringerung einer Pflanzendecke, z.B. durch Abholzung, ist das Umgekehrte der Fall.

• Hauptartikel: Biosphäre im Klimasystem/Biogeochemische Rückkopplungsprozesse

Unterschied der Albedo bei Waldbedeckung und Ackerfläche

Wälder und Strahlungshaushalt

Wälder beeinflussen außerdem die Albedo der Erdoberfläche und damit den Strahlungshaushalt. Die biogeophysikalischen Wechselwirkungen zwischen Vegetation und Atmosphäre bestehen vor allem im Austausch von Energie und Wasser. Die beiden physikalischen Schlüsselgrößen, die diesen Austausch steuern, sind die Albedo, die die Strahlung, und die Evapotranspiration (Verdunstung und Transpiration), die den Wasserkreislauf und die Temperatur beeinflusst.

Wälder haben mit 10 % eine sehr viel geringere Albedo als z.B. Schnee- (bis zu 90 %), Wüstenoberflächen (ca. 30 %) oder Ackerflächen. Der Hauptgrund sind die dunklen Oberflächen von Wäldern. Hinzu kommt, dass Wälder eine komplizierte geometrische Oberflächenstrukur besitzen und daher das einfallende Licht vielfach reflektieren und absorbieren. Wichtig sind dabei die Blattfläche, die Blattorientierung im Verhältnis zum Lichteinfall, die Lichtdurchlässigkeit und das Reflexionsvermögen der Blätter. Bei Schneeflächen spielen Struktur und Alter des Schnees, der Verschmutzungsgrad, z.B. durch Rußablagerungen, und andere Faktoren eine Rolle. Auch Ackerflächen und Weiden können je nach Bewuchs eine unterschiedliche Albedo aufweisen, die jedoch geringer als die von Schnee oder Wüstenböden ist.

Bei einer geringen Albedo wird die einfallende Strahlung in hohem Maße absorbiert und die Oberfläche erwärmt sich stark. Dadurch wird langwellige Wärmestrahlung an die Atmosphäre abgegeben. Der Energieüberschuss der erwärmten Erdoberfläche wird aber auch durch sensible und latente Wärme abtransportiert. Ein sensibler (fühlbarer) Wärmefluss bedeutet, dass erwärmte Luft vom Boden in die Atmosphäre transportiert wird. Ein latenter Wärmefluss entsteht dadurch, dass dem Boden und der erwärmten Luft unmittelbar darüber durch Verdunstung Energie entzogen wird, die dann in höheren Luftschichten bei der Kondensation von Wasserdampf zu flüssigem Wasser (Tröpfchen) wieder freigesetzt wird. Eine Erhöhung der Albedo, z.B. durch Abholzung von Wald, bedeutet daher immer eine Abkühlung, eine Verringerung der Albedo, z.B. durch Aufforstung, eine Erwärmung.

• Hauptartikel: Biosphäre im Klimasystem/Biogeophysikalische Rückkopplungsprozesse

Wälder und Wasserkreislauf

Wälder bremsen bodennahe Luftströmungen und fördern die Aufnahme- und die Speicherfähigkeit der Vegetationsdecke für Wasser und dessen Verdunstung. Damit sind sie ein wichtiger Faktor im Wasserkreislauf der Atmosphäre. Besonders die tropischen Regenwälder verdunsten viel Wasser, das in Form von Wasserdampf über große Entfernungen verfrachtet wird und in trockeneren Gebieten zur Wolkenbildung und zum Niederschlag beiträgt. Gleichzeitig wird dabei auch die eingestrahlte Sonnenenergie in Wasserdampf gebunden und über große Strecken verteilt. Da Wälder extrem klimaangepasste Lebensgemeinschaften darstellen, haben klimatische Veränderungen auf ihre Verteilung, ihre Artenzusammensetzung und ihr Wachstum erhebliche Auswirkungen. Klimatische Bedingungen wirken sowohl direkt durch Temperatur, Niederschläge und Wind als auch über verschiedene Vermittlungsfaktoren, wie vor allem Waldbrände und Insekten- und Krankheitsbefall, auf den Wald.

Migration und Wachstumsrate

Standortveränderungen

Klimahüllen für die Fichte und für Deutschland heute und in Zukunft

Bedingt durch den Klimawandel verlagern sich die Gebiete, in denen bestimmte Baumarten bezüglich verschiedener Klimafaktoren gut gedeihen, die so genannten Klimahüllen bzw. Wohlfühlbereiche. Wie Waldgemeinschaften konkret auf den Klimawandel der nächsten Jahrzehnte reagieren werden, hängt entscheidend von den jeweiligen regionalen Veränderungen der verschiedenen klimatischen Faktoren in Wechselwirkung mit der Forstwirtschaft ab. Untersuchungen über vergangene klimatische Veränderungen haben gezeigt, dass Wälder in ihrer räumlichen Ausbreitung auf ein sich wandelndes Klima deutlich langsamer reagieren als die nicht aus Bäumen bestehende Vegetation, da Bäume von der Saat bis zur Reife oft mehrere Jahrzehnte benötigen. In Anpassung an die neuen Klimabedingungen nach der letzten Kaltzeit haben verschiedene Baumarten zwischen 50 und 1000 Jahre gebraucht, um einen Streifen von 50 km Breite neu zu besiedeln. Um den prognostizierten Klimaänderungen der nächsten Jahrzehnte zu folgen, müssten die Migrationsraten jedoch bei 500-600 km pro Jahrhundert liegen. Dabei lassen sich die Wachstumsraten der Vergangenheit nicht einmal auf die heute vielfach durch menschliche Eingriffe fragmentierten Landschaften übertragen, in denen der Migration zahlreiche Barrieren entgegenstehen, wodurch die Migrationsraten in einem künftigen Klima deutlich auf weniger als 50 km pro 100 Jahre gedrückt oder sogar gegen Null tendieren werden.

Modellsimulationen, die von einem durchschnittlichen Temperaturanstieg von 2 °C bei einer Verdopplung des gegenwärtigen CO₂-Gehaltes in den nächsten 70-80 Jahren ausgehen, kommen zu dem Ergebnis, dass die Ausbreitung von Wäldern in klimatisch aktuell geeignete Gebiete nur sehr verzögert ablaufen wird. Dabei reagieren die einzelnen Baumarten oft sehr verschieden, was zu einer völlig neuen Zusammensetzung der Wälder führen kann. Ein Teil der Wälder wird "verarmen" oder sogar verschwinden, da bestimmte Baumsorten in den neuen klimatischen Bedingungen nicht überleben können. So werden Fichten und Kiefern in Norddeutschland und in Skandinavien (bei einer Verschiebung der für boreale Wälder geeigneten Klimazone während des 21. Jahrhunderts um 150-550 km nach Norden) wahrscheinlich weitgehend durch Buchen und Birken ersetzt und langfristig in die Tundra-Regionen vordringen. In den USA werden nördliche Nadel- und Laubwälder an ihrer Südgrenze fast ganz verschwinden, wie eine Untersuchung über das Gebiet der Großen Seen ergab, und nur begrenzt durch südliche Baumarten ersetzt werden, was insgesamt zu einem Verlust an Diversität führen wird. In den borealen Gebieten ist damit zu rechnen, dass sich die Schwerpunkte der Waldbestände nach Norden verschieben. Während gegenwärtig in Finnland 70 % der Waldbestände in der Südhälfte des Landes zu finden sind und 30 % in der Nordhälfte, ergeben Modellberechnungen eine gleichwertige Verteilung bis zum Ende des 21. Jahrhunderts. Im Alpenraum wird es zu einem Vordringen von Bäumen in die subalpine und alpine Zone kommen.

Verstärkung des Baumwachstums

Klimaänderung und Baumwachstum in Österreich von 1961 bis 1990. Die Darstellung zeigt den Anstieg der Jahresmitteltemperatur und die Zunahme der jährlichen Wachstumsperiode (definiert als die Zahl der Tage mit einer Durchschnittstemperatur über 5 oC) sowie die Zunahme des Stammwachstums in Prozent.

Gegenüber der nur sehr verzögert ablaufenden Standortveränderung lassen sich Veränderungen im Wachstumsverhalten durch einen Anstieg der Temperatur und des CO₂-Gehaltes bereits heute erkennen. So zeigen regionale Beobachtungen und Modelluntersuchungen für die letzten Jahrzehnte des 20. Jahrhunderts eine Zunahme der Wachstumsrate von Bäumen in einigen Gebieten der mittleren und höheren Breiten. Die Gründe liegen außer in der Zunahme der Kohlendioxidkonzentration der Atmosphäre nicht zuletzt in der höheren Temperatur und der Verlängerung der Wachstumszeit, die sich für die Nordische Fichte in Österreich in der Zeit von 1961 bis 1990 durch den Anstieg der Jahrestemperatur um 0,72 °C und der Wintertemperatur um 2,36 °C um 11 zusätzliche Tage erhöht hat. Als Folge hat die Nettoprimärproduktion um 3,5 % und die Wachstumsrate des Stammvolumens um rund 10% zugenommen.

Entsprechend wird mit einer deutlichen Verstärkung des Baumwachstums in einigen europäischen Regionen auch für die nächsten Jahrzehnte gerechnet. Nach Modellberechnungen wird bis zum Ende des 21. Jahrhunderts an der nördlichen Baumgrenze (70 °N) eine Temperaturerhöhung von 4 °C und eine Ausdehnung der Wachstumsperiode von gegenwärtig 110-120 Tagen auf 150-160 Tage erwartet. Für Nordfinnland, wo bis zum Jahre 2100 ein Temperaturanstieg von 4 °C und eine Zunahme der Niederschläge um 10 % angenommen wird, haben Modellberechnungen bis 2100 eine Erhöhung der Wachstumsraten um 30 % gegenüber der Entwicklung bei gleichbleibenden klimatischen Bedingungen ergeben. Im wesentlichen ist dafür die Zunahme des Wachstums bei Kiefern und Fichten sowie der höhere Anteil von Birken verantwortlich. In Südfinnland wird die Wachstumsrate bis zum Jahre 2070 um etwa 10 % durch das veränderte Klima zunehmen, danach jedoch bei einer Temperaturerhöhung von über 3 °C zurückgehen. Eine wesentliche Voraussetzung für das Eintreffen dieser Projektionen ist ein ausreichender Anstieg der Niederschläge, der die erhöhte Evapotranspirationsleistung durch die gestiegenen Temperaturen und die größere Bodentrockenheit durch das frühere Abschmelzen der Schneedecke ausgleicht. Bereits im 20. Jahrhundert sind die Niederschläge im nördlichen Europa um 10-40 % gestiegen, ein Trend, der höchstwahrscheinlich auch in den folgenden Jahrzehnten anhalten wird.

Verringerung des Baumwachstums

Sommertemperaturen 1906-1998 (Abweichungen vom Mittel des dargestellten Zeitraums) und das jährliche Wachstum der Baumringe der Weißfichte im zentralen Alaska (Fairbanks)

Biomasse in t/ha bei zwei Klima- und drei forstwirtschaftlichen Szenarien

Die finnischen Ergebnisse können möglicherweise auch auf andere boreale Wälder, z.B. im übrigen Skandinavien und Russland, übertragen werden. Allerdings haben Beobachtungen in Alaska ergeben, dass eine Temperaturerhöhung nicht mit einem verstärkten Baumwachstum gekoppelt sein muss. Zwar konnte eine solche Korrelation in der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts beobachtet werden, zeigte sich jedoch nicht mehr für die letzten Jahrzehnte trotz weiterhin zunehmender Erwärmung in den untersuchten Gebieten. Vielmehr wurde für viele Standorte eine Verringerung des Baumwachstums in Abhängigkeit von der steigenden Temperatur festgestellt. Als Erklärung wird dafür primär eine Beeinträchtigung des Wachstums durch temperaturbedingte Trockenheit angenommen. Hinzu kommt, dass steigende Temperaturen die Strauchvegetation begünstigen, die mit den Bäumen um die Ressourcen von Wasser und Nährstoffen im Boden konkurrieren. Gerade die Weißfichte, die in den borealen Wäldern des westlichen nordamerikanischen Kontinents eine der produktivsten und verbreitetsten Baumarten ist, reagiert auf Trockenstress durch höhere Temperaturen deutlich mit einem verminderten Baumwachstum, ablesbar an der Dikke der Baumringe. Experimentelle Untersuchungen haben gezeigt, dass höhere Temperaturen und ein höherer CO₂-Gehalt das Wachstum bei reifen Bäume in den hohen Breiten selbst in Norwegen kaum beeinflussen. Eine weitere Erwärmung wird daher wahrscheinlich dazu führen, dass die Aufnahme von Kohlendioxid durch die Bäume der höheren Breiten geringer als vielfach vermutet sein wird und daher von den borealen Wäldern insgesamt eher eine positive als eine negative Rückkopplung des Treibhauseffekts zu erwarten ist.

Auch in trockeneren Regionen der mittleren Breiten liegen die Dinge ähnlich. Modellsimulationen für das Bundesland Brandenburg im Nordosten Deutschlands z.B. sagen bis zur Mitte des 21. Jahrhunderts neben einem Anstieg der Jahresmitteltemperatur um 1,5 °C eine deutliche Abnahme der jährlichen Niederschlagsmenge um 40-140 mm voraus. Als Folge wird der Artenreichtum der brandenburgischen Wälder deutlich zurückgehen. Vor allem wird der Bestand an Buchen abnehmen und der von trockenresistenten Sorten wie Kiefern, Eichen und Linden zunehmen. Je nachdem, wie die Forstwirtschaft auf den Wandel reagiert, wird die Produktivität der brandenburgischen Wälder mehr oder weniger stark abnehmen und die Biomasse pro ha nach 110 Jahren gegenüber heute durchschnittlich um 53-67 % zurückgehen. Das Klimaszenario S0 in der Tabelle 1 geht von einem unveränderten Klima der Jahre 1951-1990 aus, das Szenario S1 von einer Temperaturzunahme um 1,5 °C und einer Niederschlagsabnahme um 40-140 mm in den nächsten 55 Jahren. Bei der Forstwirtschaft werden drei Wege unterschieden:

1. die traditionelle Methode (FS1), die die ökonomisch wichtigen Arten begünstigt,
2. die adaptive Methode (FS2), die die klimatisch am besten angepasten Sorten bevorzugt, und
3. die auf hohe Diversität setzende Methode (FS3).

Die klimatischen Veränderungen und die Veränderungen im Waldbestand haben auch eine Verminderung der Grundwasseranreicherung um 33-37 % zur Folge und damit Konsequenzen für die Wasserversorgung des Ballungsraums Berlin und anderer Agglomerationen.

Für den mediterranen Raum zeigen Modelluntersuchungen, dass positive Effekte durch die Erhöhung der Kohlendioxidkonzentration dann zu erwarten sind, wenn sich auch die Niederschläge gegenüber heute erhöhen. Falls die temperaturbedingte Erhöhung der Evapotranspiration nicht durch höhere Niederschläge ausgeglichen werden, kommt es zu Trockenstress, der sowohl für die Artenzusammensetzung wie für das durchschnittliche Baumwachstum negative Folgen hat.

Zunahme von Waldbränden

Hauptartikel:

• Waldbrände
• Waldbrände in hohen Breiten
• Waldbrände im Mittelmeerraum
• Waldbrände in den Tropen

Insektenbefall

junge Buchdrucker in der Rinde einer Fichte

Neben Dürren und Bränden ist die Schädigung durch Insektenbefall ein weiterer Faktor, der im Zusammenhang mit dem Klimawandel durch den Menschen beachtet werden muss. Betroffen sind vor allem die Wälder der borealen und gemäßigten Zone, in denen durch die Erwärmung Krankheitserreger und Insekten heimisch werden können, die dort bisher unbekannt waren. Bereits im 20. Jahrhundert konnten in Kanada und Russland im Zusammenhang mit steigenden Temperaturen zunehmende Zerstörungen an Bäumen durch Insekten beobachtet werden. So wurden die Waldzerstörungen durch Insekten in Kanada zwischen 1920 und 1995 auf 75 Millionen ha geschätzt, mit einer ansteigenden Rate nach 1970. Die aktuellen Schäden in russischen Wäldern durch Insektenbefall und Krankheiten werden auf 4 Millionen ha pro Jahr angenommen. Insgesamt geht man davon aus, dass die Schäden durch Insekten und Krankheiten in Sibirien und Kanada etwa gleich groß wie die durch Feuer sind.

Borkenkäferbefall in Mitteleuropa und Kanada

Menge des Käferholzes (in m³) und Anzahl der Käfernester in der Schweiz 1984-2001

In Mitteleuropa hat vor allem die zeitweilig enorm gestiegene Verbreitung des Fichtenborkenkäfers (Buchdrucker) Aufmerksamkeit erregt, dem zahlreiche Bäume zum Opfer fielen. Die Käfer bohren weitläufige Brutsysteme in die Rinde der Bäume. Zunächst werden kränkelnde oder sturmgeschädigte Fichten befallen. Diese können sich nicht wie gesunde Bäume durch Harzaustritt wehren. Der Buchdrucker braucht einen schönen, warmen und trockenen Sommer, damit sich mindestens zwei volle Generationen vom Ei bis zum erwachsenen Käfer bilden können. In günstigen Jahren können sich bis zu 3 Käfergenerationen entwickeln. Das Brutsystem eines Weibchens enthält ca. 40 Larven. Mit jeder Generation vervielfacht sich demnach die Anzahl der Buchdrucker. Auch gesunde Fichten können sich nicht gegen unbegrenzt viele Käfer wehren und fallen dem Buchdrucker schließlich auch zum Opfer. In den Jahren 1990 und 1999 haben die Stürme "Vivian" und "Lothar" zu einer Massenvermehrung von Buchdruckern geführt, da die vielen sturmgeschädigten Bäume viele Brutmöglichkeiten für die Buchdrucker boten. So hat es in den "Lothar"-Sturmschadengebieten eine Massenvermehrung des Buchdruckers gegeben, wie sie die Schweiz in den vergangenen 200 Jahren nicht erlebt hat. Zu besonders großen Schäden ist es durch den Borkenkäfer und warme und trockene Sommer auch in Kanada gekommen, wo in den 1990er Jahren Fichten von annähernd der halben Waldfläche der Schweiz vernichtet wurden.

Da durch den anthropogenen Klimawandel in mittleren und höheren Breiten sowohl mit einer verstärkten Sturmtätigkeit wie mit einer deutlichen Erwärmung und teilweise auch größerer Trockenheit zu rechnen ist, werden wohl auch die Borkenkäferschäden in Zukunft zunehmen.

Projektionen

Die Schäden durch Insektenbefall könnten sich in den folgenden Jahrzehnten deutlich verstärken. Die Nordgrenze des Verbreitungsgebietes des amerikanischen Tannentriebwicklers, der sich besonders nach Dürren und heißen, trockenen Sommern vermehrt, aber auch durch milde Winter begünstigt wird, wird sich wahrscheinlich deutlich polwärts verschieben. Einige seiner natürlichen Feinde könnten möglicherweise südlich des 50. Breitengrades bei einer Temperaturerhöhung verschwinden, was die Population des Tannentriebwicklers und die durch ihn verursachten Schäden dramatisch steigen lassen würde.

Links

• Wald und Klima Internetportal zum Themenkomplex Wald/Waldnutzung, Holz und Holzverwendung unter dem Blickwinkel Klimawandel
• waldwissen.net Informationsportal Wald mit einem Dossier Klimawandel und Forstwirtschaft
• Bergwald-Projekt Pflege von Wäldern u.a. in der Alpenregion
• Bäume pflanzen mit Schulklassen Bäume pflanzen
• Bäume pflanzen mit WikiWoods mit Freiwilligen zusammen Wälder pflanzen
• FAO-Bericht 2010 über den Zustand der Wälder weltweit

Klimadaten zum Thema

Klimadaten zum Thema selbst auswerten? Hier können Sie aus Daten zum Klimawandel eigene Karten erzeugen:

Globale Daten: z.B. Temperatur, Niederschlag,

Europa nach den neuen RCP-Szenarien: z.B.Temperatur oder Niederschlag

Südamerika: z.B. Temperatur oder Niederschlag.

Nordamerika: z.B. Temperatur oder Niederschlag.

Afrika: z.B. Temperatur oder Niederschlag

Asien: z.B. Temperatur (Süd-West-Asien), Niederschlag (Süd-West-Asien), Temperatur (Süd-Ost-Asien) oder Niederschlag (Süd-Ost-Asien).

Norddeutschland: z.B. Temperatur, Temperatur hochaufgelöst, Niederschlagoder Niederschlag hochaufgelöst.

Hier finden Sie eine Anleitung zur Visualisierung der Daten.

Schülerarbeiten zum Thema

Schülerarbeiten zum Thema des Artikels aus dem Schulprojekt Klimawandel:

• Auswirkungen des Klimawandels auf den deutschen Wald (Anne-Frank-Schule, Bargteheide)
• Das Ökosystem Wald als Klimafaktor (Athenaeum, Stade)
• Die Abholzung des Tropenwaldes im Amazonasgebiet und der Klimawandel (Anne-Frank-Schule, Bargteheide)
• Die borealen Nadelwälder im Klimawandel Welche Wechselwirkungen bestehen, welche Entwicklungen sind zu erwarten? (Gymnasium Grootmoor, Hamburg)
• Einfluss einer Klimaänderung auf die Vegetation und deren wechselseitige Abhängigkeiten (Johanneum, Lübeck)
• Wie verändert der Klimawandel die Verbreitung von Buche und Fichte in Deutschland? (Gymnasium Grootmoor, Hamburg)

Lizenzhinweis

Kontakt: Dieter Kasang