Einfluss steigender Temperaturen und CO2-Konzentrationen auf Pflanzenphänologie und -anatomie

Abstract

Die CO2-Konzentration ist seit 1750 von 280 ppm auf heute 375 ppm angestiegen und wird sich bis 2100 weiter auf 540-970 ppm erhöhen. Dieser Anstieg wirkt sich indirekt über die Erwärmung der Atmosphäre als auch direkt auf die Pflanzen aus. Ziel dieser Arbeit war daher die Auswirkung der Klimaerwärmung in den letzten 50 Jahren und der prognostizierten Klimaerwärmung auf die Pflanzenentwicklung sowie die Wirkung von moderat erhöhten CO2-Konzentrationen (+20 %) auf die Phänologie, die Anatomie und den Stomatawiderstand von Pflanzen zu untersuchen. Anhand der Auswertung phänologischer Daten landwirtschaftlicher Kulturpflanzen, Obstgehölzen und wildwachsenden Pflanzen der Jahre 1951 bis 2003 von 170 Stationen in Hessen konnte gezeigt werden, dass es in diesem Zeitraum zu Verschiebungen in der Pflanzenentwicklung gekommen ist. Der Eintritt phänologischer Phasen verfrühte sich im Mittel zwischen 0,4 bis 5,5 Tage/Dekade. Die Frühjahrsphasen zeigten dabei den stärksten Trend. Im Jahresverlauf nahm die Verfrühung der phänologischen Phasen ab. Regionale Unterschiede und gegensätzliche Trends in benachbarten Naturräumen zeigten sich in der Reaktion der Pflanzen (z.B. Blattseneszenz der Stiel-Eiche), aber auch in der Dauer der Vegetationsperiode. Während sich die Vegetationszeit in manchen Regionen verlängert hat, ist sie in anderen unverändert geblieben. Im Gießen-Koblenzer-Lahntal hat sie sich sogar verkürzt.Mit Hilfe von Modellen, basierend auf den Temperaturdaten eines Regionalisierungsmodells für die meteorologische Station Gießen, konnte beispielhaft für den Naturraum 348 (Marburg-Gießener-Lahntal) gezeigt werden, dass es aufgrund der prognostizierten Klimaerwärmung in der Dekade von 2041 bis 2050 zu weiteren Verfrühungen in der Pflanzenentwicklung und zur Verlängerung der Vegetationsperiode kommen wird. Die Verfrühung der Frühjahrsphasen hat zur Folge, dass die Gefahr von Spätfrost auch in der Zukunft vorhanden ist und für einige Obstarten wahrscheinlich noch ansteigt. Neben erhöhten Lufttemperaturen beeinflussen jedoch auch erhöhte CO2-Konzentrationen die Phänologie. So zeigte die überwiegende Anzahl der untersuchten Pflanzenarten eines Grünlandbestandes - trotz nur moderat erhöhten CO2-Konzentration - Verschiebungen im mittleren Blühbeginn, wobei sowohl Verfrühungen als auch Verspätungen auftraten. Eine signifikante Verfrühung unter erhöhten CO2-Konzentrationen konnte bei Glechoma hederacea und bei Saxifraga granulata beobachtet werden. Dies deutet darauf hin, dass immergrüne Arten von der ganzjährigen CO2-Anreicherung profitieren und mit einer schnelleren Entwicklung im Frühling reagieren. Große Unterschiede im Zeitpunkt des Blühbeginns lassen vermuten, dass der CO2-Effekt durch die Witterung modifiziert wird. Die Auswirkungen von erhöhten CO2-Konzentrationen auf anatomische Parameter und den Stomatawiderstand für Wasserdampf wurde beispielhaft an sechs Arten untersucht. Dabei reagierten die Pflanzen auf moderat erhöhte CO2-Konzentrationen unterschiedlich: Arrhenatherum elatius und Saxifraga granulata erhöhten den Stomatawiderstand für Wasserdampf hauptsächlich durch die Verringerung der Stomatadichte, Glechoma hederacea hingegen überwiegend durch eine Reduzierung der Öffnungsweite der Stomata. Im Bezug auf die Blattdicke, die Blattdichte und den LMA (leaf mass per area) zeigte Glechoma hederacea generell positive Reaktionen auf erhöhte CO2-Konzentrationen. Im Gegensatz dazu reagierten die anderen untersuchten Arten unterschiedlich. Als einzige Art zeigte Glechoma hederacea eine signifikante Verfrühung im Blühbeginn einhergehend mit einer signifikanten Erhöhung des Stomatawiderstandes für Wasserdampf. Verringerungen der Transpiration könnten zu erhöhten Blatt- und Bestandestemperaturen führen und damit Auswirkungen auf die Phänologie haben, so dass Klimaerwärmung und CO2-Effekt nicht trennbar sind. Since 1750, the atmospheric CO2 concentration has increased from 280 ppm to about 350 ppm today and is expected to reach 540-970 ppm by 2100. The CO2 concentration is known to affect plants directly and indirectly through the influence of global warming. In this dissertation the impact of 50 years of global warming on plant phenology was assessed. The assessment was used to predict future phenological alterations due to global warming. Direct effects of future CO2 levels (20% above ambient) on phenology, anatomy and stomatal resistance to water vapour were also investigated on plants from the Giessen Free Air Carbondioxid Enrichment (Gi-FACE) study. Phenological data of crops, fruit plants and wild plants collected by the German Weather Service (Deutscher Wetterdienst = DWD) on 170 stations in Hessen between 1951 and 2003 have been analysed. The analysis revealed that the development of plants has shifted during the last decades in Hessen. The beginning of the phenological phases advanced by 0,4 to 5,5 days per decade. The spring phases showed the largest trend. However, the advancement of the phenological phases tended to decline during the annual cycle. Responses to global warming such as the length of vegetation period and the leaf senescence (of oak) did show considerable regional variation and sometimes opposite trends in neighbouring areas. While in some areas the vegetation period was longer, in others it was not changed. However, in the area called Gießen-Koblenzer-Lahntal it became even shorter. A regionalized phenological model for the area 348 (Marburg-Gießener-Lahntal) during the decade 2041-2050 has been developed, using temperature predictions based on the data from meteorological station Gießen. The simulation proved that global warming will advance the phenological phases of the plants and will lengthen the vegetation period. As a consequence of the advancement of the phenological phases, the risk of late frost damage is likely to be present in the future and presumably will rise for some particular fruit species. Phenology is affected not only by global warming but also by rising atmospheric CO2 levels. Most of the investigated plants of the GiFACE graslandsite showed a shift in flowering in spite of the moderate CO2 enrichment used. In this case advancement and delay occurred. The flowering of Glechoma hederacea and Saxifraga granulata advanced significantly under enhanced CO2 concentration. This indicates that evergreen species benefit from the CO2 enrichment, when it is applied throughout the year, and that they are able to react with advanced development under these conditions. Large differences in the date of flowering from year to year suggest that the CO2 effect is modified by the climatic conditions. The impact of enhanced CO2 concentration on anatomical parameters and the stomatal resistance to water vapour were investigated for six species. Despite the moderate enhancement of CO2 concentration, these attributes did already exhibit a response. However, the reactions were different among the species investigated. The species Arrhenatherum elatius und Saxifraga granulata raised the stomatal resistance mainly through the reduction of the stomata density, while Glechoma hederacea did this through a reduction of the stomatal aperture. Glechoma hederacea showed in general a positive reaction to enhanced CO2 concentration concerning leaf thickness, leaf tissue density and leaf mass per area. In contrast, the responses of the other investigated species did not demonstrate such a consistent pattern. Glechoma hederacea is unique in showing a significant advancement of flowering and a significant enhancement of the stomatal resistance to water vapour under elevated CO2. Because the resulting reduction in transpiration may lead to increased leaf temperatures as well as on the entire canopy level, elevated CO2 might be responsible for phenological changes. Thus, the detected global warming effect is inseparable from the effect that rising CO2 levels have on these species.