Stresstest für Regenwälder

Klimawandel – Stresstest für tropische Regenwälder

Tropische Regenwälder sind widerstands- und anpassungsfähig. Trotzdem ist der Klimawandel ein Stresstest, weil Trockenheit und Hitze den Wäldern zusetzen. Ob die tropischen Regenwälder den Stresstest bestehen, ist ungewiss.

Tropische Regenwälder haben sich an thermisch stabile Bedingungen in den Tropen angepasst und dienen seit 60 Millionen Jahren als Puffer gegen Klimaschwankungen. Im Eozän vor rund 55 Millionen Jahren gab es kurz hintereinander zwei Warmzeiten auf der Erde, die jeweils durch eine schnelle Erderwärmung und große Veränderungen in Klima und Ökosystemen gekennzeichnet waren. Das feuchtwarme Klima während der Warmzeiten begünstigte die Ausdehnung der tropischen Regenwälder, und es gab eine große Pflanzenvielfalt (Samanta u. a. 2024). Das deutet auf die Widerstandsfähigkeit tropischer Regenwälder in Zeiten des Klimawandels hin. Die Dinosaurier konnten von der Pflanzenvielfalt nicht mehr profitieren, weil sie im Eozän bereits ausgestorben waren. Heißt das, der Klimawandel der heutigen Zeit ist kein Problem für die Wälder in den Tropen?

Ganz so einfach ist es nicht. Ob die tropischen Regenwälder der heutigen Zeit ihre Funktion als Klimaanlage der Erde noch ausüben können, ist ungewiss. Unbestritten ist, dass der Mensch durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe derzeit ein Klima schafft, wie es die Erde seit langer Zeit nicht mehr erlebt hat. Wenn nicht gegengesteuert wird, könnten die Temperaturen bis zum Ende dieses Jahrhunderts um 2,2 bis 3,5 °C höher liegen als zu Beginn der Industrialisierung (IPCC 2023). Das wäre im Bereich der Klimaszenarien SSP1-2.6 (1,72 °C) und SSP3-7.0 (3,91 °C), wobei das dazwischenliegende Szenario SSP2-4.5 (2,75 °C) als möglich erachtet wird (Hausfather und Peters 2020).

Pflanzen reagieren bereits heute auf die gestiegene Temperatur, indem sie sich zum Beispiel in kühlere Regionen ausbreiten. Das dürfte aber nur wenigen Pflanzenarten vorbehalten bleiben, dauert lang und funktioniert nur dort, wo genügend Platz zum Ausweichen besteht, zum Beispiel an Berghängen. Pflanzen sind in der Regel ortsgebunden und können bei sich verschlechternden Umweltbedingungen nicht einfach weglaufen wie die sprechenden Bäume im Fangornwald von Tolkiens „Herr der Ringe“. Für die evolutionäre Anpassung der Pflanzen an neue Umweltbedingungen reicht die Zeit auch nicht, dafür steigt die Temperatur zu schnell und Bäume beispielsweise wachsen viel zu langsam. Es gibt Hinweise, dass Pflanzen widerstandsfähig genug sind, um sich strukturell und physiologisch an den Klimawandel anzupassen. Demnach sind Pflanzen durchaus in der Lage, mit dem sich verändernden Klima Schritt zu halten, und dass die Hauptursache für das Aussterben nicht der Klimawandel ist, sondern die mit dem zukünftigen Klimawandel einhergehende erhebliche Schrumpfung oder der vollständige Verlust geeigneter Lebensräume (Wang u. a. 2026a).

Photosynthese bei hohen Temperaturen

Die Photosynthese ist der wichtigste physiologische Prozess auf der Erde. In der Photosynthese wandeln Pflanzen CO₂, Wasser und Sonnenlicht in lebensnotwendige Energie und Sauerstoff um. Ohne Photosynthese gäbe es keine Biomasse. Bei jeder Pflanzenart ist die Photosynthese optimal an ihre Umweltbedingungen angepasst. Wie die meisten biologischen Prozesse, ist auch die Photosynthese temperaturempfindlich. Die optimale Temperatur für die Photosynthese entspricht tendenziell der optimalen Wachstumstemperatur, die in tropischen Regenwäldern bei 30 bis 32 °C liegt (Slot und Winter 2017a). Wird die Temperatur aus dem optimalen Bereich verschoben, läuft die Photosynthese nicht mehr effizient und bricht unter extremen Bedingungen vollständig zusammen. Die biochemischen Prozesse der Photosynthese werden erst ab einer Temperatur von 35 °C gestört, weswegen die Photosyntheseleistung sinkt (Slot und Winter 2017b).

Bei der kritischen Temperatur von über 47 °C können die Bäume keine Photosynthese mehr betreiben. Kurzfristig können Pflanzen die kritische Temperatur aushalten, schließlich kann es im Kronendach eines tropischen Regenwalds bei Windstille und voller Sonneneinstrahlung in der Mittagszeit extrem heiß werden. Hochauflösende Daten von Wärmebildkameras auf der Internationalen Raumstation und Erwärmungsexperimente in tropischen Regenwäldern auf der ganzen Welt zeigen, dass 0,01 Prozent der Blätter in den oberen Schichten des Kronendachs wenigstens einmal pro Jahr die kritische Temperatur überschreiten, bei voranschreitender Erderwärmung könnte dieser Wert auf 1,4 Prozent steigen (Doughty u. a. 2023). Im Moment gibt es also noch keine Hinweise auf großflächige Blattschäden in tropischen Regenwäldern, das könnte sich bei steigenden Temperaturen jedoch ändern.

Anpassungen der Pflanzen

Pflanzen reagieren dynamisch und flexibel auf geänderte Umweltbedingungen und verfügen über Möglichkeiten, mit Hitze- und Wasserstress fertig zu werden. Sie können ihre Blattzellen biochemisch so modifizieren, dass sie besser vor radikalen Molekülen im Zellinneren geschützt werden und der Photosyntheseprozess stabilisiert wird. Die Ausbildung kleinerer und dünnerer Blätter erleichtert den Pflanzen die Abfuhr von Wärme. Schließlich können die Pflanzen winzige Poren, sogenannte Spaltöffnungen, an der Unterseite ihrer Blätter öffnen. Spaltöffnungen bestehen aus zwei Schließzellen, die wie ein Mund angeordnet sind, und über die Blätter Gase (CO₂, Sauerstoff, Wasserdampf etc.) mit der Umwelt austauschen.

Zum einen nehmen Pflanzen über die Spaltöffnungen CO₂ aus der Luft aus, welches sie in der Photosynthese zusammen mit Sonnenlicht in Energie umwandeln. Zum anderen geben sie über die Spaltöffnungen Wasser ab, das verdunstet und dabei die Blätter kühlt – die Bäume schwitzen gewissermaßen, weswegen das Bild von den schwitzenden Urwaldriesen durchaus zutreffend ist (Groover u. a. 2025). Das Schwitzen wird als Transpiration bezeichnet und ist eng gekoppelt an die Photosynthese (Wang u. a. 2026b). Transpiration funktioniert nur dort, wo genügend Wasser im Boden vorhanden ist. Die transpirierenden Blätter erzeugen einen Unterdruck, der sich entlang der Wassersäule nach unten ausbreitet und so Wasser aus den Wurzeln durch den Stamm in die Baumkrone „zieht“. Ist es zu trocken, schließen sich die Spaltöffnungen in den Blättern, um nicht noch mehr wertvolles Wasser zu verlieren.

Laborregenwald

In einem „Laborregenwald“ mitten in der Wüste von Arizona, etwas außerhalb von Tucson (USA), wurde getestet, bis zu welchen Temperaturen Pflanzen Photosynthese betreiben. Anfang der 1990er-Jahre wurde dort die Biosphäre 2 fertiggestellt, in deren Gewächshäusern marine und terrestrische Ökosysteme in kleinem Maßstab unter Laborbedingungen simuliert werden. Im größten Gewächshaus, mit einer Grundfläche so groß wie ein Fußballfeld, ist ein tropischer Regenwald nachgebildet, dessen Bäume bis zu 27 Meter hoch sind.

Unter den kontrollierten Bedingungen in der Biosphäre 2 haben die Pflanzen im Laborregenwald bis zu einer Temperatur von 38 °C Photosynthese betrieben (Smith u. a. 2020). Die Pflanzen verfügten allerdings über reichlich Wasser und hatten keinen Wasserstress. Deswegen konnten sie durch das Öffnen der Spaltöffnungen ihre Blätter problemlos kühlen und beständig CO₂ aufnehmen, um die Photosynthese am Laufen zu halten. Es ist unklar, ob Pflanzen in ihren natürlichen Umgebungen, in denen Hitze oft zu Wasserstress führt, ebenso gut zurechtkommen würden. Der Vergleich der Daten aus dem Laborregenwald mit realen Daten aus Brasilien und Mexiko zeigt, dass in natürlichen tropischen Regenwäldern die Photosyntheserate bereits ab 28 °C zurückgeht (Smith u. a. 2020).

Wasserstress in einem echten Regenwald

Wasserstress wurde in einem ausgeklügelten Experiment in einem echten tropischen Regenwald im nordöstlichen Teil Amazoniens simuliert. Über einen Zeitraum von 22 Jahren wurde ein Gebiet in der Größe eines Fußballfelds langfristigen Dürrebedingungen ausgesetzt (Sanchez-Martinez u. a. 2025). Tausende von transparenten Platten wurden einen Meter über dem Boden installiert, um etwa die Hälfte der Regenfälle mit Hilfe von Dachrinnen von den Bäumen wegzuleiten.

Die meisten der größten Bäume im Untersuchungsgebiet sind daraufhin in den ersten 15 Jahren des Experiments abgestorben und etwa ein Drittel der Biomasse ging verloren, wodurch der Wald von einer Kohlenstoffsenke zur Kohlenstoffquelle wurde. Danach stabilisierte sich der Wald wieder und die überlebenden Bäume nahmen leicht an Biomasse zu. Die jahrzehntelange experimentelle Dürre hat das Untersuchungsgebiet nicht in eine Savanne oder eine große Grasebene verwandelt, was auf eine langfristige Widerstandsfähigkeit tropischer Regenwälder gegen Bodentrockenheit hindeutet. Änderungen der Luftfeuchtigkeit und Lufttemperatur wurden während der experimentellen Dürre allerdings nicht berücksichtigt.

Baumgröße
Dass die Halbierung der Niederschlagsmenge während der experimentellen Dürre zum Absterben der großen Bäume geführt hat, ist möglicherweise eher der Blick in eine extrem trockene Zukunft. Denn in Amazonien gibt es derzeit keine Hinweise auf einen Rückgang der Größe und Häufigkeit der großen Bäume. Vielmehr hat generell die Baumgröße in den vergangenen 30 Jahren zugenommen, und die Anzahl der großen Bäume ist gestiegen, wofür der Anstieg der atmosphärischen CO₂-Konzentration die Hauptursache zu sein scheint (Esquivel-Muelbert u. a 2025).

CO₂-Düngung

Wasser- und Hitzestress machen den Bäumen in tropischen Regen-wäldern das Leben schwer, sie leiden unter der Trockenheit und Hitze (Tarvainen u. a. 2022). Insbesondere bei seltenen Baumarten ist deswegen eine erhöhte Sterblichkeit zu beobachten verglichen mit häufig vorkommenden Arten (He u. a. 2026). Manche Baumarten können besser mit Wasser- und Hitzestress umgehen, weil ihre Baumkronen vielleicht eine vorteilhaftere Form haben oder weil ihre Blatteigenschaften, wie Dicke und Größe, besser an trockenheiße Bedingungen angepasst sind. Daneben kommt ein dritter Faktor ins Spiel, der die Widerstandskraft und Physiologie der Bäume beeinflusst: CO₂. Im ersten Moment scheint mehr CO₂ für die Pflanzen vorteilhaft zu sein, weil es die Photosyntheserate ankurbelt. Pflanzen wachsen bei höherem CO₂-Gehalt in der Luft schneller und werden größer, der Effekt wird „CO₂-Düngung“ genannt (Lloyd und Farquhar 2008).

Pflanzenwachstum ist jedoch zu komplex für die pauschale Aussage, dass mehr CO₂ besser sei. Andere Faktoren, wie die Temperatur und die Verfügbarkeit von Wasser und Nährstoffen, beeinflussen das Pflanzenwachstum ebenfalls und setzen natürliche Grenzen. Ohne lebensnotwendige Nährstoffe und Wasser würde noch so viel CO₂ aus der Luft nicht zu einem weiteren Pflanzenwachstum führen. Die Experimente im Laborregenwald von Arizona lassen auch den Schluss zu, dass mehr CO₂ in der Luft die Pflanzen bis zu einem gewissen Punkt vor Wasserverlust schützen könnte. Um Wasser zu sparen, müssen die Pflanzen bei Trockenheit die Spaltöffnungen länger geschlossen halten. Dadurch verkürzt sich die Zeit, in der die Pflanzen CO₂ aufnehmen können. Wenn die CO₂-Konzentration höher ist, können die Pflanzen während der kürzeren Öffnungszeit mehr CO₂ aufnehmen. Das heißt, mehr CO₂ in der Luft kann die Photosyntheserate steigern und damit das Baumwachstum direkt durch die erhöhte Verfügbarkeit von Kohlenstoff oder indirekt durch Wassereinsparung begünstigen (Wang und Wang 2021).

Möglicherweise finden Pflanzen Wege, um den Stresstest aus erhöhter CO₂-Konzentration in Verbindung mit Veränderungen der Temperatur und der Wasserverfügbarkeit zu bestehen. Weitere Untersuchungen zu einem besseren physiologischen Verständnis des Gasaustauschs bei Bäumen in einem sich wandelnden Klima werden dies zeigen.