Wie das Anwachsen des Waldes eine Rolle für die Alpenseen spielt

Ein Forscher der EPFL und ein internationales Team von Wissenschaftlern haben zum ersten Mal dokumentiert, wie der organische Kohlenstoff im Waldboden reagieren wird, wenn er in hochgelegenen Seen aufgelöst wird

Die Waldgrenze steigt durch die Klimaerwärmung immer weiter an, je nach Region um 10 bis 100 Meter pro Jahr. Diese Bäume rücken immer näher an die hochgelegenen Seen heran. Die Forschung eines internationalen Teams von Wissenschaftlern hat zum ersten Mal auf molekularer Ebene die Verbindungen zwischen diesen beiden Ökosystemen analysiert. Ihre Ergebnisse, die in der Zeitschrift Nature Communications, veröffentlicht wurden, deuten darauf hin, dass der Anstieg der Waldgrenze den organischen Kohlenstoff in Seen in höheren Lagen und Breitengraden beeinflusst und sich auf die biogeochemische Zusammensetzung ihres Wassers auswirkt. Mit der Folge einer höheren Konzentration von CO₂, also einer zusätzlichen Quelle von Treibhausgasen. Diese Entdeckung ist umso wichtiger, als es Tausende solcher Seen auf der Erde gibt.

Der organische Kohlenstoff im Boden von Grasland reagiert anders als der im Boden von Bäumen. Bisher war jedoch nicht bekannt, wie der Kohlenstoff unter dem Waldboden auf den Kontakt mit Alpenseen reagieren würde. Kohlenstoff spielt in Seen eine entscheidende Rolle, da er als Nahrung für Bakterien dient, und diese Seen enthalten bekanntermaßen nur geringe Mengen davon. Mit dem Ansteigen der Baumgrenze verändert sich die Zusammensetzung des Bodens. Und wenn der Schnee schmilzt oder es regnet, transportiert das Wasser dieses organische Material in die Seen. Dieses Phänomen hat Hannes Peter, Forscher am Forschungslabor für Flussökosysteme (RIVER) an der EPFL, in Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern mehrerer europäischer Universitäten untersucht.

Finnische und österreichische Alpenseen.

Die Bakterien in diesen Seen können sich auf zwei verschiedene Arten verhalten, wenn sie mit organischem Kohlenstoff in Kontakt kommen. Entweder wachsen sie und produzieren Biomasse, die Grundlage für die Nahrungskette, oder sie werden im Gegenteil ineffizient und geben CO₂ in die Atmosphäre ab. Um ihre Funktionsweise zu untersuchen, führten die Forscher zunächst Feldexperimente durch, denen Laboranalysen folgten. Sie wählten zwei repräsentative Seen mit großen Höhen und Breitengraden aus, die sich im Norden Finnlands und in Österreich befinden.

Unsere ursprüngliche Hypothese war, dass die Bakterien in den Seen organischem Kohlenstoff aus verschiedenen Böden ausgesetzt werden sollten.

Hannes Peter, Forscher im RIVER-Labor an der EPFL

"Unsere Ausgangshypothese war, die Bakterien in den Seen organischem Kohlenstoff aus verschiedenen Böden auszusetzen", erklärt Hannes Peter, Spezialist für Ökologie und Biogeochemie, dessen Labor Teil des Forschungszentrums für alpine und polare Umwelt (ALPOLE) in Sion ist. "Wir haben Wasserproben entnommen und gelösten organischen Kohlenstoff aus dem Boden unterhalb der Waldgrenze, aber auch aus dem Boden darüber hinzugefügt. Und wir beobachteten, wie die Bakterien reagierten. Produzierten sie mehr Biomasse oder setzten sie stattdessen mehr CO₂ in die Atmosphäre frei’ Wir haben nachgewiesen, dass bei dem Kohlenstoff unterhalb der Grenzlinie das letztere der Fall war."

Kohlenstoffmoleküle sequenziert

Um dieses Phänomen zu dokumentieren, verwendeten die Forscher ein sehr präzises und ausgeklügeltes Messinstrument, das an einer der Partneruniversitäten in Deutschland stationiert ist und mit dem die Moleküle einzeln analysiert werden können. "Wir haben nur dank des technologischen Fortschritts und des Einsatzes von Analysesystemen, die jetzt für die Untersuchung von Kohlenstoff zur Verfügung stehen, eine Blackbox geöffnet. Wir haben mehr als 2500 Moleküle im organischen Kohlenstoff aufgespürt, beobachtet, welche Moleküle schneller von den Bakterien verzehrt werden und den gesamten Abbauprozess untersucht. So kamen wir zu dem Schluss, dass Alpenseen mehr CO₂ emittieren, wenn die Waldgrenze ansteigt". Mit welchen Folgen’ "Unsere Forschung ist ein erster Schritt in der Analyse, die sich ausschließlich auf Bakterien und ihre Effizienz beim Umgang mit Kohlenstoff konzentriert. Es wären weitere nötig, um die Auswirkungen dieser Emissionen in der Umwelt zu messen. Aber das Faszinierende an Bakterien ist, dass sie sich an sehr unterschiedliche Umgebungen anpassen können."

Kartierung der Entwicklung des Alpenwaldes

Der Anstieg des Waldes in höheren Lagen wird auch von einem anderen Wissenschaftlerteam untersucht, das am Forschungszentrum für alpine und polare Umwelt (ALPOLE) auf dem Campus Valais Wallis der EPFL in Sitten angesiedelt ist. Die Doktorandin Thien-Anh Nguyen und ihre Kollegen vom Laboratoire de science computationnelle pour l’environnement et l’observation de la Terre (ECEO) haben eine Software entwickelt, die die Ausbreitung des alpinen Waldes über einen Zeitraum von fast 80 Jahren kartieren kann. Das KI-getriebene Tool, das als Open Source verfügbar ist, ermöglicht es, die Ausbreitung des Waldes in der gesamten Region der Waadtländer Voralpen und des Wallis deutlich zu visualisieren. Für die Modellierung arbeiteten die Wissenschaftler mit Tausenden von Fotos, die von Swisstopo zur Verfügung gestellt wurden und den Zeitraum von 1946 bis 2020 abdecken. Die Herausforderung bestand darin, die Software darauf zu trainieren, Bilder unterschiedlicher Qualität und Auflösung zu integrieren. Es ist das erste Mal, dass diese Bewegung des Alpenwaldes so genau und in so großem Maßstab kartografiert wird. Das Tool wird es unter anderem ermöglichen, die Geschwindigkeit des Phänomens - eine direkte Folge des Rückzugs der Landwirtschaft und des Temperaturanstiegs - zu analysieren und den Beitrag dieser beiden Faktoren zu quantifizieren.

Referenzen

"Treeline displacement may affect lake dissolved organic matter processing at high latitudes and altitudes", Núria Catalán, Carina Rofner, Charles Verpoorter, María Teresa Pérez, Thorsten Dittmar, Lars Tranvik, Ruben Sommaruga & Hannes Peter, Nature Communications, März 2024.