Tropische Wälder gehören zu den artenreichsten und ökologisch wichtigsten Ökosystemen der Erde und beherbergen mehr als zwei Drittel aller bekannten Baumarten. Ihre Baumkronen sind die am stärksten konzentrierte atmosphärische Schnittstelle für Kohlenstoff, Wasser und Energie in der Biosphäre. Die funktionelle Vielfalt – wie die verschiedenen Arten funktionieren, wachsen und auf ihre Umwelt reagieren – ist jedoch weniger bekannt. Eine Studie von Aguirre-Gutiérrez und Kollegen, zu denen auch Joice Klipel, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Ökologie der Leuphana Universität, gehört, zeichnet ein vielfältiges und dynamisches Bild der Merkmale der Baumkronen tropischer Wälder auf den verschiedenen Kontinenten und gibt Aufschluss über den funktionalen Reichtum und die Divergenz.
Info: Funktioneller Reichtum und funktionelle Divergenz
Der funktionelle Reichtum (FRich) beschreibt das Spektrum der verschiedenen funktionellen Merkmale in einer Gemeinschaft. Ein hoher FRich bedeutet, dass viele ökologische Strategien vorhanden sind, was auf eine größere Anpassungsfähigkeit des Ökosystems schließen lässt. Die funktionale Divergenz (FDiv) misst, wie die Eigenschaften der Arten innerhalb dieses Bereichs verteilt sind. Ein hoher FDiv-Wert deutet darauf hin, dass die Arten funktional unterschiedlich sind und verschiedene Nischen besetzen, was oft mit einer Spezialisierung auf Ressourcen oder starkem Wettbewerb verbunden ist. Zusammengenommen helfen diese Metriken bei der Bewertung der biologischen Vielfalt über die Anzahl der Arten hinaus, indem sie sich darauf konzentrieren, wie die Arten funktionieren.
Was sind funktionelle Merkmale und warum sind sie wichtig?
Funktionelle Merkmale sind messbare Eigenschaften von Pflanzen, wie Blattdicke, Nährstoffgehalt oder Holzdichte, die beeinflussen, wie Pflanzen mit ihrer Umwelt interagieren. Diese Merkmale bestimmen wichtige Prozesse wie Photosynthese, Wassernutzung, Nährstoffkreislauf und Kohlenstoffspeicherung. Die Kenntnis dieser Merkmale hilft Wissenschaftlern bei der Beurteilung der Funktionsweise von Wäldern, ihrer Widerstandsfähigkeit gegenüber Veränderungen und ihrer möglichen Reaktion auf klimatische Stressfaktoren wie Dürren oder steigende Temperaturen.
Die meisten Erdsystemmodelle vernachlässigen den vielfältigen und heterogenen tropischen Waldbiom, indem sie ihn als ein weitgehend einheitliches Ökosystem darstellen. Durch diese grobe Vereinfachung ist die Genauigkeit der Vorhersagen über die Funktionsweise der Ökosysteme, die Rückkopplungen mit dem Klima und die Widerstandsfähigkeit der biologischen Vielfalt begrenzt.
Infos: Erdsystemmodelle
Erdsystemmodelle (ESMs) sind komplexe Computersimulationen, die physikalische, chemische und biologische Prozesse in der Atmosphäre, Biosphäre, Hydrosphäre und Geosphäre integrieren, um zu verstehen und vorherzusagen, wie das Erdsystem auf natürliche und vom Menschen verursachte Veränderungen reagiert. Sie verfolgen die Energie-, Wasser-, Kohlenstoff- und Nährstoffflüsse, um Veränderungen des Klimas, der Vegetation und der biogeochemischen Kreisläufe vorherzusagen.
Ein einzigartiger Versuch, die Merkmale der Baumkronen weltweit zu kartieren
Als Reaktion darauf führten die Forschenden der Studie eine umfassende Analyse der Merkmale der tropischen Waldkronen durch. Sie kombinierten vor Ort erhobene Daten von mehr als 1 800 Vegetationsparzellen und Baummerkmalen mit Sentinel-2-Satelliten-Fernerkundungs-, Gelände-, Klima- und Bodendaten, um die Variation von 13 morphologischen, chemischen und strukturellen Merkmalen von Bäumen vorherzusagen und die funktionelle Vielfalt von Wäldern in den Tropen Amerikas, Afrikas und Asiens zu kartieren. Die untersuchten Waldstandorte erstrecken sich über eine Gesamtfläche von fast 800 Hektar und decken verschiedene Klimazonen und Landschaften ab.
Infobox: Sentinel-2 Satellitenbilder
Sentinel-2 ist ein Paar von Erdbeobachtungssatelliten der Europäischen Weltraumorganisation (ESA). Sie liefern alle 5 Tage hochauflösende optische Bilder, die Daten in 13 Spektralbändern erfassen. Dies ermöglicht Wissenschaftlern die Überwachung von Vegetation, Landnutzung, Gewässern und vielem mehr. In der Ökologie ist Sentinel-2 von entscheidender Bedeutung für die Erkennung von Pflanzenmerkmalen, Waldstrukturen und Umweltveränderungen in kleinem räumlichen Maßstab.
Unterschiedliche Waldidentitäten: Amerika, Afrika, Asien
Die Analyse zeigt starke biogeografische Unterschiede bei den funktionalen Merkmalen der Baumkronen:
Die amerikanischen Tropenwälder weisen den größten funktionalen Reichtum auf, d. h. sie umfassen ein breiteres Spektrum an Merkmalskombinationen. Dies spiegeln die hohe Artenvielfalt und Umweltheterogenität wider, insbesondere in den Tropen Amerikas.
Afrikanische Wälder weisen dagegen die größte funktionale Divergenz auf, was auf ein spezielles Muster der Ressourcennutzung hindeutet. Dies könnte auf langfristige Umweltbelastungen wie historische Dürren zurückzuführen sein.
Die tropischen Wälder Asiens (einschließlich Teilen Australiens) weisen hohe Durchschnittswerte für Merkmale wie Blattgröße, Wassergehalt und Nährstoffkonzentration auf, was wahrscheinlich mit der Dominanz der Familie der Flügelfruchtgewächse in Südostasien zusammenhängt.
Diese Merkmalsverteilungen deuten darauf hin, dass sich in jeder Region unterschiedliche Strategien herausgebildet haben, die durch die Evolutionsgeschichte, die Bodenfruchtbarkeit, die saisonalen Niederschläge und die früheren Klimabedingungen geprägt sind.
Feucht vs. trocken
In trockenen Wäldern (z. B. im brasilianischen Cerrado oder in afrikanischen Savannen) gibt es Arten mit hoher spezifischen Blattfläche (SLA) und nährstoffreichen, schnell umschlagenden Blättern. Dies deutet auf Erwerbsstrategien hin, die für schnelles Wachstum während kurzer feuchter Perioden optimiert sind.
Feuchte Wälder (wie Amazonien oder Borneo) weisen Merkmale auf, die mit konservativen Strategien verbunden sind, mit dickeren, dichteren Blättern und höheren Kohlenstoffinvestitionen.
Bedeutung für Wissenschaft, Naturschutz und Klimamodelle
Diese Studie verbessert die Realitätsnähe von Erdsystemmodellen durch die Bereitstellung detaillierter Merkmalskarten. Sie identifiziert Regionen mit hohen Unsicherheiten oder Datenlücken, was die künftige Feldarbeit (insbesondere in Teilen Afrikas und Asiens) erleichtert. Darüber hinaus zeigt die Studie die zunehmende Bedeutung von KI und Fernerkundungstechnologien bei der Kartierung von Pflanzenmerkmalen und Biodiversität in großem Maßstab. Diese Instrumente sind zwar leistungsfähig, sollen aber klassische ökologische Methoden wie Feldproben und die Identifizierung von Arten nicht ersetzen, sondern ergänzen. Um wirklich zu verstehen, wie sich die funktionale Vielfalt im Laufe der Zeit verändert, müssen wir weiterhin in die gute alte Feldarbeit investieren, die dann in fortschrittlichere Modelle und Vorhersagen einfließt. Die Erkenntnisse dieser faszinierenden Studie können als Grundlage für die Vorhersage von Veränderungen in der funktionalen Waldzusammensetzung unter sich verändernden Klimabedingungen dienen und zum Aufbau eines prozessbasierten und präzisen ökologischen Modellierungsrahmens auf verschiedenen räumlichen und zeitlichen Skalen beitragen.
Sie möchten mehr über die Studie und ihre Ergebnisse erfahren? Dann lesen Sie den vollständigen Artikel hier: https://www.nature.com/articles/s41586-025-08663-2#citeas
