Auswirkungen des Klimawandels auf die Pflanzenbiodiversität

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Klimawandel ist jede signifikante langfristige Änderung des erwarteten Musters, sei es aufgrund natürlicher Variabilität oder als Ergebnis menschlicher Aktivitäten. Umweltbedingungen spielen in Kombination mit anderen Faktoren eine Schlüsselrolle bei der Bestimmung der Funktion und Verteilung von Pflanzen. Es ist bekannt, dass Veränderungen der langfristigen Umweltbedingungen, die zusammenfassend als Klimawandel bezeichnet werden können, enorme Auswirkungen auf die aktuellen Muster der Pflanzenvielfalt gehabt haben; für die Zukunft sind weitere Auswirkungen zu erwarten.[1] Es wird prognostiziert, dass der Klimawandel auch in Zukunft einer der Haupttreiber der Biodiversitätsmuster bleiben wird.[2][3][4] Menschliche Handlungen lösen derzeit das sechste große Massenaussterben auf unserer Erde aus und verändern die Verbreitung und Fülle vieler Pflanzen.[5]

Paläo-Kontext[edit]

Australischer Regenwald: Ein Ökosystem, von dem bekannt ist, dass es in jüngster geologischer Zeit aufgrund von klimatischen Veränderungen in der Fläche erheblich geschrumpft ist.

Die Erde hat in der Zeit seit der Entwicklung der Pflanzen ein sich ständig änderndes Klima erlebt. Im Vergleich zur Gegenwart hat diese Geschichte die Erde als kühler, wärmer, trockener und feuchter gesehen, und CO
2 (Kohlendioxid) Konzentrationen waren sowohl höher als auch niedriger.[6] Diese Veränderungen haben sich in einer sich ständig verändernden Vegetation widergespiegelt, zum Beispiel in den meisten Gebieten der Zwischeneiszeiten durch Waldgesellschaften und während der Eiszeiten durch krautige Gemeinschaften.[7] Es hat sich gezeigt, dass der Klimawandel in der Vergangenheit ein Hauptgrund für die Prozesse der Artbildung und des Aussterbens war.[1] Das bekannteste Beispiel dafür ist der Karbon-Regenwaldkollaps, der vor 350 Millionen Jahren stattfand. Dieses Ereignis dezimierte Amphibienpopulationen und spornte die Evolution der Reptilien an.[1]

Moderner Kontext[edit]

Es gibt ein bedeutendes aktuelles Interesse und Forschungsschwerpunkt auf dem Phänomen der jüngsten anthropogenen Klimaänderungen oder der globalen Erwärmung. Der Fokus liegt darauf, die aktuellen Auswirkungen des Klimawandels auf die Biodiversität zu identifizieren und diese Auswirkungen für die Zukunft vorherzusagen.

Sich ändernde klimatische Variablen, die für die Funktion und Verbreitung von Pflanzen relevant sind, umfassen zunehmende CO
2 Konzentrationen, steigende globale Temperaturen, veränderte Niederschlagsmuster und Veränderungen im Muster von „extremen“ Wetterereignissen wie Wirbelstürmen, Bränden oder Stürmen. Aus verschiedenen Modellen mit variablen bioklimatischen Veränderungen resultiert eine stark variable Artenverteilung.[8][9]

Da einzelne Pflanzen und damit Arten nur unter bestimmten Umweltbedingungen (idealerweise innerhalb einer Teilmenge davon) physiologisch funktionieren und ihren Lebenszyklus erfolgreich abschließen können, dürften Klimaänderungen erhebliche Auswirkungen auf Pflanzen haben, und zwar von der Ebene des Individuums bis hin zum die Ebene des Ökosystems oder Bioms.

Auswirkungen von CO2[edit]

Jüngste Zunahme des atmosphärischen CO2.

CO2 Die Konzentrationen nehmen seit mehr als zwei Jahrhunderten stetig zu.[10] Erhöhung des atmosphärischen CO2 Konzentration beeinflusst, wie Pflanzen Photosynthese betreiben, was zu einer höheren Effizienz der Pflanzenwassernutzung, einer verbesserten Photosynthesekapazität und einem gesteigerten Wachstum führt.[11] Erhöhtes CO2 wurde mit der „Verdickung der Vegetation“ in Verbindung gebracht, die die Struktur und Funktion der Pflanzengemeinschaft beeinflusst.[12] Je nach Umgebung gibt es unterschiedliche Reaktionen auf erhöhtes atmosphärisches CO2 zwischen den wichtigsten ‘funktionellen Pflanzenarten’ wie C3 und C4 Pflanzen oder mehr oder weniger holzige Arten; die unter anderem das Potenzial hat, den Wettbewerb zwischen diesen Gruppen zu verändern.[13] Erhöhtes CO2 kann auch zu einem erhöhten Kohlenstoff : Stickstoff-Verhältnis in den Blättern von Pflanzen oder in anderen Aspekten der Blattchemie führen, was möglicherweise die Ernährung von Pflanzenfressern verändert.[14] Studien zeigen, dass verdoppelte CO .-Konzentrationen2 zeigt eine Zunahme der Photosynthese bei C3-Pflanzen, aber nicht bei C4-Pflanzen.[15] Es wird jedoch auch gezeigt, dass C4-Pflanzen in der Trockenheit besser überleben können als C3-Pflanzen.

Auswirkungen der Temperatur[edit]

Globale jährliche Oberflächentemperaturanomalie im Jahr 2005, relativ zum Mittelwert von 1951 bis 1980

Temperaturerhöhungen treiben die Geschwindigkeit vieler physiologischer Prozesse wie der Photosynthese in Pflanzen je nach Pflanzenart an eine Obergrenze. Diese Zunahme der Photosynthese und anderer physiologischer Prozesse wird durch erhöhte Geschwindigkeiten chemischer Reaktionen und ungefähr eine Verdoppelung der enzymatischen Produktumwandlungsraten pro 10 °C Temperaturerhöhung angetrieben.[16] Extreme Temperaturen können schädlich sein, wenn sie die physiologischen Grenzen einer Pflanze überschreiten, was schließlich zu höheren Austrocknungsraten führt.

Eine gängige Hypothese unter Wissenschaftlern ist, dass die Pflanzenvielfalt umso höher ist, je wärmer ein Gebiet ist. Diese Hypothese kann in der Natur beobachtet werden, wo eine höhere Pflanzenbiodiversität oft in bestimmten Breitengraden liegt (was oft mit einem bestimmten Klima/einer bestimmten Temperatur korreliert).[17]

Auswirkungen von Wasser[edit]

Niederschlagstrends in den Vereinigten Staaten von 1901–2005. In einigen Gebieten hat der Niederschlag im letzten Jahrhundert zugenommen, während einige Gebiete ausgetrocknet sind.

Da die Wasserversorgung für das Pflanzenwachstum entscheidend ist, spielt sie eine Schlüsselrolle bei der Bestimmung der Pflanzenverteilung. Es wird vorhergesagt, dass Änderungen des Niederschlags weniger konsistent sind als die der Temperatur und zwischen den Regionen variabler sind, wobei Vorhersagen für einige Gebiete viel feuchter und andere viel trockener werden.[18] Eine Änderung der Wasserverfügbarkeit würde eine direkte Korrelation mit den Wachstumsraten und der Persistenz von Pflanzenarten in dieser Region zeigen.

Bei weniger konstanten, intensiveren Regenfällen hat die Wasserverfügbarkeit einen direkten Einfluss auf die Bodenfeuchtigkeit in einem Gebiet. Eine Abnahme der Bodenfeuchtigkeit wird sich negativ auf das Pflanzenwachstum auswirken und die Dynamik des Ökosystems insgesamt verändern. Pflanzen verlassen sich nicht nur auf den Gesamtniederschlag während der Vegetationsperiode, sondern auch auf die Intensität und das Ausmaß jedes Niederschlagsereignisses.[19]

Allgemeine Auswirkungen[edit]

Umweltvariablen wirken nicht isoliert, sondern in Kombination mit anderen Belastungen wie Habitatverschlechterung, Habitatverlust und der Einführung exotischer Arten, die potenziell invasiv sein können. Es wird vermutet, dass diese anderen Triebkräfte des Wandels der biologischen Vielfalt in Synergie mit dem Klimawandel wirken werden, um den Überlebensdruck auf die Arten zu erhöhen.[20] Wenn sich diese Veränderungen summieren, werden unsere Ökosysteme insgesamt voraussichtlich ganz anders aussehen als heute.

Direkte Auswirkungen des Klimawandels[edit]

Änderungen der Verteilungen[edit]

Kiefer mit einem Höhenanstieg der Baumgrenze von 105 m im Zeitraum 1915-1974. Nipfjället, Schweden

Wenn sich klimatische Faktoren wie Temperatur und Niederschlag in einer Region außerhalb der Toleranz der phänotypischen Plastizität einer Art ändern, können Verteilungsänderungen der Art unvermeidlich sein.[21] Es gibt bereits Hinweise darauf, dass Pflanzenarten ihre Verbreitungsgebiete in Höhe und Breite als Reaktion auf das sich ändernde regionale Klima verschieben.[22][23] Es ist jedoch schwer vorherzusagen, wie sich das Artenspektrum als Reaktion auf das Klima ändert, und diese Veränderungen von allen anderen vom Menschen verursachten Umweltveränderungen wie Eutrophierung, saurem Regen und Lebensraumzerstörung zu trennen.[24][25][26]

Im Vergleich zu den gemeldeten Migrationsraten von Pflanzenarten in der Vergangenheit hat das schnelle Tempo des aktuellen Wandels das Potenzial, nicht nur die Artenverteilung zu verändern, sondern viele Arten auch dazu zu bringen, dem Klima, an das sie sich angepasst haben, nicht zu folgen.[27] Die von einigen Arten, etwa in alpinen Regionen, geforderten Umweltbedingungen können ganz verschwinden. Das Ergebnis dieser Veränderungen ist wahrscheinlich ein rascher Anstieg des Aussterberisikos.[28]Auch die Anpassung an neue Bedingungen kann für die Reaktion von Pflanzen von großer Bedeutung sein.[29]

Das Aussterberisiko von Pflanzenarten vorherzusagen ist jedoch nicht einfach. Schätzungen aus bestimmten Perioden schneller Klimaänderung in der Vergangenheit haben beispielsweise in einigen Regionen ein relativ geringes Artensterben gezeigt.[30] Das Wissen darüber, wie sich Arten angesichts des schnellen Wandels anpassen oder überleben können, ist noch relativ begrenzt.

Änderungen in der Eignung eines Lebensraums für eine Art führen zu Verteilungsänderungen, indem sie nicht nur den Bereich ändern, den eine Art physiologisch tolerieren kann, sondern auch, wie effektiv sie mit anderen Pflanzen in diesem Bereich konkurrieren kann. Veränderungen in der Zusammensetzung der Gemeinschaften sind daher auch ein erwartetes Produkt des Klimawandels.

Veränderungen in Lebenszyklen (Phänologie)[edit]

Der Zeitpunkt phänologischer Ereignisse wie der Blüte hängt oft mit Umgebungsvariablen wie der Temperatur zusammen. Es wird daher erwartet, dass sich ändernde Umweltbedingungen zu Veränderungen der Lebenszyklusereignisse führen, und diese wurden für viele Pflanzenarten aufgezeichnet.[22] Diese Veränderungen haben das Potenzial, zur Asynchronität zwischen Arten zu führen oder die Konkurrenz zwischen Pflanzen zu verändern. Die Blütezeit britischer Pflanzen hat sich beispielsweise geändert, was dazu führt, dass einjährige Pflanzen früher blühen als mehrjährige Pflanzen und von Insekten bestäubte Pflanzen früher blühen als windbestäubte Pflanzen; mit möglichen ökologischen Folgen.[31] Eine kürzlich veröffentlichte Studie hat Daten des Schriftstellers und Naturforschers Henry David Thoreau verwendet, um die Auswirkungen des Klimawandels auf die Phänologie einiger Arten in der Gegend von Concord, Massachusetts, zu bestätigen.[32]

Genetische Vielfalt[edit]

Artenreichtum und Artengleichheit spielen eine Schlüsselrolle dafür, wie schnell und produktiv sich ein Ökosystem an Veränderungen anpassen kann.[33] Durch die Erhöhung der Möglichkeit eines Populationsengpasses durch extremere Wetterereignisse würde die genetische Vielfalt in der Population drastisch sinken.[34] Da die genetische Vielfalt maßgeblich dazu beiträgt, wie sich ein Ökosystem entwickeln kann, wäre das Ökosystem viel anfälliger dafür, ausgelöscht zu werden, da jedes Individuum dem anderen ähnlich wäre. Das Fehlen genetischer Mutationen und die Abnahme des Artenreichtums erhöhen die Möglichkeit des Aussterbens erheblich.[5]

Die Veränderung der Umwelt setzt eine Pflanze unter Stress, um ihre phänotypische Plastizität zu erhöhen, was dazu führt, dass sich Arten schneller ändern als vorhergesagt.[35] Diese Plastikreaktionen helfen den Pflanzen, auf eine sich schnell ändernde Umgebung zu reagieren. Zu verstehen, wie sich einheimische Arten als Reaktion auf die Umwelt verändern, wird dazu beitragen, Schlussfolgerungen darüber zu ziehen, wie wechselseitige Beziehungen reagieren werden.

Indirekte Auswirkungen des Klimawandels[edit]

Alle Arten sind wahrscheinlich direkt von den oben diskutierten Veränderungen der Umweltbedingungen betroffen und auch indirekt durch ihre Interaktionen mit anderen Arten. Während direkte Auswirkungen leichter vorherzusagen und konzeptualisiert werden können, ist es wahrscheinlich, dass indirekte Auswirkungen bei der Bestimmung der Reaktion von Pflanzen auf den Klimawandel ebenso wichtig sind.[36][37]

Eine Art, deren Verbreitung sich als direkte Folge des Klimawandels ändert, kann beispielsweise in das Verbreitungsgebiet einer anderen Art „eindringen“ oder „invasiert“ werden, indem sie eine neue Konkurrenzbeziehung einführt oder andere Prozesse wie die Kohlenstoffbindung verändert.[38]

In Europa können sich die Temperatur- und Niederschlagseffekte des Klimawandels indirekt auf bestimmte Bevölkerungsgruppen auswirken. Der Anstieg der Temperaturen und der Mangel an Niederschlägen führen zu unterschiedlichen Flussauen, die den Bestand hochwassergefährdeter Menschen reduzieren.[39]

Das Verbreitungsgebiet eines symbiotischen Pilzes, der mit Pflanzenwurzeln assoziiert ist, kann sich als Folge eines veränderten Klimas direkt ändern, was zu einer Änderung der Verbreitung der Pflanze führt.[40]

Ein neues Gras kann sich in einer Region ausbreiten, das Feuerregime verändern und die Artenzusammensetzung stark verändern.

Ein Krankheitserreger oder Parasit kann seine Interaktionen mit einer Pflanze ändern, wie zum Beispiel ein pathogener Pilz, der in einem Gebiet häufiger wird, in dem es regnet.

Erhöhte Temperaturen können es Pflanzenfressern ermöglichen, sich weiter in alpine Regionen auszudehnen, was die Zusammensetzung der alpinen Kräuterfelder erheblich beeinflusst.

Gekoppelte natürliche und menschliche Systeme wirken als Systeme, die Veränderungen über weite räumliche und zeitliche Ausdehnungen beeinflussen, die normalerweise als indirekte Auswirkungen des Klimawandels angesehen werden. Dies gilt insbesondere bei der Analyse von Spillover-Systemen. Umweltfaktor#Sozioökonomische Treiber

Änderungen auf höherer Ebene[edit]

Arten reagieren sehr unterschiedlich auf den Klimawandel. Variationen in der Verbreitung, Phänologie und Häufigkeit der Arten führen zu unvermeidlichen Veränderungen der relativen Häufigkeit der Arten und ihrer Wechselwirkungen. Diese Veränderungen werden sich auf die Struktur und Funktion von Ökosystemen auswirken.[23] Vogelzugmuster zeigen bereits eine Änderung beim Fliegen nach Süden und früherer Rückkehr, dies könnte sich im Laufe der Zeit auf das gesamte Ökosystem auswirken. Wenn Vögel früher abziehen, würde dies die Bestäubungsrate einiger Pflanzen im Laufe der Zeit verringern. Die Beobachtung von Vogelzügen ist ein weiterer Beweis für den Klimawandel, der dazu führen würde, dass Pflanzen zu unterschiedlichen Zeiten blühen.[41]

Da bestimmte Pflanzenarten durch ein wärmeres Klima benachteiligt sind, können auch ihre Insekten-Herbivoren betroffen sein.[42] Die Temperatur wirkt sich direkt auf Vielfalt, Persistenz und Überleben sowohl der Pflanzen als auch ihrer Insektenfresser aus. Wenn diese Insekten-Herbivoren abnehmen, werden auch die höheren Arten von Arten, die diese Insekten fressen, abnehmen. Dieses kaskadierende Ereignis wäre schädlich für unsere Erde und unser heutiges Naturbild.

Herausforderungen bei der Modellierung zukünftiger Auswirkungen[edit]

Genaue Vorhersagen der zukünftigen Auswirkungen des Klimawandels auf die Pflanzenvielfalt sind entscheidend für die Entwicklung von Erhaltungsstrategien. Diese Vorhersagen stammen größtenteils aus bioinformatischen Strategien, die die Modellierung einzelner Arten, Artengruppen wie „Funktionstypen“, Gemeinschaften, Ökosystemen oder Biomen beinhalten. Sie können auch die Modellierung von beobachteten Umweltnischen von Arten oder beobachteten physiologischen Prozessen beinhalten.

Obwohl die Modellierung nützlich ist, weist sie viele Einschränkungen auf. Erstens besteht Unsicherheit über die zukünftige Höhe der Treibhausgasemissionen, die den Klimawandel vorantreiben [43] und erhebliche Unsicherheit bei der Modellierung, wie sich dies auf andere Aspekte des Klimas wie lokale Niederschläge oder Temperaturen auswirkt. Für die meisten Arten ist die Bedeutung bestimmter klimatischer Variablen bei der Bestimmung der Verbreitung (zB Mindestniederschlag oder Höchsttemperatur) unbekannt. Es ist auch schwierig zu wissen, welche Aspekte einer bestimmten klimatischen Variable biologisch am relevantesten sind, wie z. B. durchschnittliche vs. maximale oder minimale Temperaturen. Ökologische Prozesse wie Wechselwirkungen zwischen Arten und Ausbreitungsgeschwindigkeiten und -entfernungen sind ebenfalls von Natur aus komplex, was Vorhersagen zusätzlich erschwert.

Die Verbesserung von Modellen ist ein aktives Forschungsgebiet, wobei neue Modelle versuchen, Faktoren wie lebensgeschichtliche Merkmale von Arten oder Prozesse wie Migration bei der Vorhersage von Verbreitungsänderungen zu berücksichtigen; obwohl mögliche Kompromisse zwischen regionaler Genauigkeit und Allgemeingültigkeit anerkannt werden.[44]

Der Klimawandel wird voraussichtlich auch mit anderen Triebkräften des Biodiversitätswandels interagieren, wie der Zerstörung und Fragmentierung von Lebensräumen oder der Einführung fremder Arten. Diese Bedrohungen können möglicherweise in Synergie wirken, um das Aussterberisiko gegenüber dem in Zeiten schnellen Klimawandels in der Vergangenheit zu erhöhen.[20]

Siehe auch[edit]

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