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Study by the University of Bonn investigates how arctic-alpine plants respond to global warming
It is the most comprehensive study of its kind to date: Researchers at the University of Bonn and the University of South-Eastern Norway have studied how two characteristic arctic-alpine plant species respond to global warming. They did this by analyzing almost 500 million of their own readings from the mountainous region of Norway. The analyses show that potential consequences of climate change are extremely dependent on the specific location of the plants and that deciduous species in particular will benefit from warming. The result would be a further increase in the trend toward greening of the arctic-alpine regions. The study is published in the journal Ecosphere.
The Norwegian mountains can be pretty darn inhospitable during the colder months. Nevertheless, there are plants that cope splendidly with the biting temperatures. They include the dwarf birch Betula nana and the black crowberry Empetrum hermaphroditum. Both thrive in arctic-alpine conditions; this makes them typical representatives of tundra vegetation.
Up until now, it has been unclear how the growth of dwarf birch and crowberry is influenced by specific environmental conditions. In the alpine regions of Norway, a project has been underway for 30 years that aims to change that. “We wired up some of the plants here and fitted them with so-called data loggers that record the measurements,” explains Prof. Dr. Jörg Löffler from the Department of Geography at the University of Bonn. A pin-like sensor records the diameter of the trunk – minute by minute, 365 days a year, to an accuracy of less than a thousandth of a millimeter. At the same time, the researchers measure solar radiation, temperature in the root zone and just above the soil surface, and soil moisture.
Shrinkage against frost damage
In the current study, researchers analyzed nearly 500 million measurements from 40 plants between 2015 and 2019. “We mainly studied how the microclimate, that is, the conditions encountered by the individual plant, affects its growth,” says Svenja Dobbert, who is doing her doctorate in Prof. Löffler’s research group. This revealed a striking rhythm in both dwarf birch and crowberry: During the colder months, their trunk diameter shrank significantly in each case – a process that was reversed in the spring. However, it was not until late summer that the deficits were made up to such an extent that actual growth began.
“Due to low temperatures in the colder months, there is hardly any liquid water available for the plants,” Dobbert says, explaining the finding. “They also reduce their trunk diameter by even actively reducing the water content of their cells to avoid frost damage.” Just how important this strategy is for both species to thrive is demonstrated by another observation: Plants that shrank very little during the winter often showed little or no growth the following summer.
A second important finding: The deciduous dwarf birches usually grew better after a mild winter. They therefore seem to generally benefit from warmer winters. With the evergreen crowberries it was the other way around. “In cold winters, there is usually less snowfall,” Löffler says. “This could be an advantage for evergreen species because they can then keep up photosynthetic activity for longer and hence enter the growth phase earlier in the spring.” It is therefore possible that climate change is causing an increasing spread of deciduous species and a concomitant displacement of evergreen species. Since the leaves of deciduous plants have a comparatively large surface area (in contrast, those of evergreen species are usually needle-like), this effect could contribute to the further greening of arctic-alpine regions.
The microclimate is crucial
“However, our results also show that microclimatic conditions can be extremely different depending on the location,” explains Löffler. For instance, at exposed, windy locations, snow cover tends to be very thin. The deciduous dwarf birch however requires a sufficiently thick insulating layer of snow in winter. It then has to use fewer resources to protect itself from frost. Without this warming blanket, the dwarf birch has a difficult time. The evergreen crowberry, in contrast, benefits from the extra sunlight during such snow-free periods. “Overall, our measurements prove that global climate data provide little valid evidence for local vegetation effects,” emphasizes the geographer. “Studies like ours can potentially help us better model such complex effects and in turn better predict the effects of climate change on plant life.”
Participating institutions and funding:
In addition to the University of Bonn, the University of South-Eastern Norway was involved in the study. The work was funded by the German Research Foundation (DFG).
Publication: Svenja Dobbert, Roland Pape & Jörg Löffler: Contrasting growth response of evergreen and deciduous arctic-alpine shrub species to climate variability. Ecosphere, https://doi.org/10.1002/ecs2.3688
Source: University of Bonn, 12 August 2021[:de]
Studie der Universität Bonn untersucht, wie arktisch-alpine Pflanzen auf die Globale Erwärmung reagieren
Es ist die bislang umfassendste Studie ihrer Art: Forschende der Universität Bonn und der University of South-Eastern Norway haben untersucht, wie zwei charakteristische arktisch-alpine Pflanzenarten auf die Globale Erwärmung reagieren. Dazu haben sie fast 500 Millionen eigene Messdaten aus der Gebirgsregion Norwegens ausgewertet. Die Analysen zeigen, dass mögliche Konsequenzen des Klimawandels extrem stark von dem individuellen Standort der Pflanzen abhängen und vor allem laubwerfende Arten von einer Erwärmung profitieren werden. Als Folge würde sich der Trend zur Vergrünung der arktisch-alpinen Regionen weiter verstärken. Die Studie erscheint in der Fachzeitschrift Ecosphere.
Die norwegischen Gebirge können in den kalten Monaten verdammt unwirtlich sein. Dennoch gibt es Pflanzen, die mit den beißenden Temperaturen hervorragend zurechtkommen. Zu ihnen zählen die Zwergbirke Betula nana und die Schwarze Krähenbeere Empetrum hermaphroditum. Beide fühlen sich unter arktisch-alpinen Bedingungen besonders wohl; sie sind daher typische Vertreter der Tundrenvegetation.
Unklar war bislang dagegen, wie das Wachstum von Zwergbirke und Krähenbeere von den konkreten Umweltbedingungen gesteuert wird. Um das zu ändern, läuft seit 30 Jahren in der Gebirgswelt Norwegens ein Projekt. „Wir haben einen Teil der Pflanzen hier verkabelt und mit sogenannten Daten-Loggern versehen, die die Messwerte aufzeichnen“, erklärt Prof. Dr. Jörg Löffler vom Geographischen Institut der Universität Bonn. So erfasst ein stiftartiger Sensor den Stammdurchmesser – und das Minute für Minute, 365 Tage im Jahr, auf weniger als einen Tausendstel Millimeter genau. Parallel dazu messen die Forscher die Sonneneinstrahlung, die Temperatur im Wurzelbereich und knapp über der Erdoberfläche sowie die Bodenfeuchte.
Schrumpfung gegen Frostschäden
In der aktuellen Studie haben die Wissenschaftler fast 500 Millionen Messdaten von 40 Pflanzen zwischen 2015 und 2019 analysiert. „Wir haben vor allem untersucht, wie sich das Mikroklima – also die Bedingungen, mit denen sich die individuelle Pflanze konfrontiert sieht – auf ihr Wachstum auswirkt“, sagt Svenja Dobbert, die in der Arbeitsgruppe von Prof. Löffler promoviert. Dabei zeigte sich sowohl bei der Zwergbirke als auch bei der Krähenbeere eine auffallende Rhythmik: In den kalten Monaten schrumpfte ihr Stammdurchmesser jeweils signifikant – ein Prozess, der sich im Frühjahr umkehrte. Doch erst im Spätsommer waren die Defizite dann soweit ausgeglichen, dass ein tatsächliches Wachstum einsetzte.
„In den kalten Monaten ist aufgrund der niedrigen Temperaturen in der Umgebung der Pflanzen kaum flüssiges Wasser vorhanden“, erklärt Dobbert den Befund. „Sie verringern ihren Stammdurchmesser zudem, indem sie den Wassergehalt ihrer Zellen sogar aktiv reduzieren, um Frostschäden zu vermeiden.“ Wie wichtig diese Strategie für das Gedeihen beider Arten ist, zeigt eine weitere Beobachtung: Pflanzen, die im Winter nur wenig schrumpften, zeigten oft im darauffolgenden Sommer kaum oder gar kein Wachstum.
Ein zweiter wichtiger Befund: Die laubwerfenden Zwergbirken wuchsen nach einem milden Winter meist besser. Sie scheinen also von einer Wintererwärmung tendenziell zu profitieren. Bei den immergrünen Krähenbeeren war es genau andersherum. „In kalten Wintern fällt in der Regel weniger Schnee“, sagt Löffler. „Für immergrüne Arten könnte das ein Vorteil sein, weil sie dann länger Photosynthese treiben können und daher im Frühjahr schneller in die Wachstumsphase übergehen.“ Möglicherweise sorgt der Klimawandel also für eine zunehmende Verbreitung laubwerfender und eine damit einhergehende Verdrängung immergrüner Arten. Da die Blätter laubwerfender Pflanzen eine vergleichsweise große Fläche haben (bei immergrünen Arten sind sie dagegen in der Regel nadelartig), könnte dieser Effekt zur weiteren Vergrünung der arktisch-alpinen Regionen beitragen.
Das Mikroklima ist entscheidend
„Allerdings zeigen unsere Ergebnisse auch, dass die mikroklimatischen Bedingungen je nach Standort extrem unterschiedlich sein können“, erklärt Löffler. So ist an exponierten, dem Wind ausgesetzten Lagen die Schneedecke in der Regel sehr dünn. Die laubwerfende Zwergbirke ist aber im Winter auf eine genügend dicke isolierende Schneeschicht angewiesen. Sie muss dann weniger Ressourcen aufwenden, um sich vor Frost zu schützen. Wenn diese wärmende Decke fehlt, hat die Zwergbirke es dagegen schwer. Die immergrüne Krähenbeere profitiert hingegen in solchen schneefreien Zeiten von der zusätzlichen Sonneneinstrahlung. „Insgesamt belegen unsere Messungen, dass globale Klimadaten kaum valide Rückschlüsse auf lokale Vegetations-Effekte zulassen“, betont der Geograph. „Studien wie unsere können möglicherweise dazu beitragen, solche komplexen Effekte besser zu modellieren und so die Effekte des Klimawandels auf die Pflanzenwelt besser vorherzusagen.“
Beteiligte Institutionen und Förderung:
Neben der Universität Bonn war an der Studie die University of South-Eastern Norway beteiligt. Die Arbeiten wurden durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert.
Publikation: Svenja Dobbert, Roland Pape & Jörg Löffler: Contrasting growth response of evergreen and deciduous arctic-alpine shrub species to climate variability. Ecosphere, https://doi.org/10.1002/ecs2.3688
Quelle: Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn, 12.08.2021[:]