Klimawandeltolerante Arten

Ausgedehnte Trockenperioden haben in den letzten Jahren sichtbare Folgen an Stadt- und Waldbäumen hinterlassen. Bäume ließen mitten im Sommer ihr Laub fallen und der Borkenkäfer verbreitet sich in den angeschlagenen Wäldern. Die Forschung und Praxis arbeitet intensiv daran, eine Pflanzenauswahl zu ergründen, die für die erhöhten Anforderungen des Klimawandels gewappnet ist. Aus diesem Grund ist es notwendig, die planerische Praxis an den Ergebnissen der aktuellen Forschung partizipieren zu lassen. Dieser Artikel richtet seinen Blick auf die internationale Literatur, die semi-systematisch zum Stand der Wissenschaft in Hinblick auf klimawandeltolerante Arten untersucht wurde.

Hintergrund und Anlass

Die Wetteraufzeichnungen führen vor Augen, dass elf der 13 wärmsten Jahre in den letzten 20 Jahren zu verzeichnen sind; das Wärmste ist das Jahr 2018 (Statista 2021). Abbildung 2 zeigt die extreme Trockenheit der Böden im Jahr 2018, die sich stellenweise bis heute nicht regenerieren konnten. Nicht nur die zunehmende Hitze bereitet Pflanzen Probleme, sondern auch die Verteilung der Niederschläge im Jahresverlauf. So werden zukünftig die Anzahl und Intensität der Starkregenereignisse zunehmen. Bei ausgetrocknetem Boden kann das Wasser nicht versickern und fließt für die Pflanzen unerreichbar über die Oberfläche ab (KLIWA 2019). Viele Experten empfehlen eine höhere Diversität, um auf die vielfältigen Einflüsse flexibel reagieren zu können (Rohloff et. al. 2009, Sjöman et. al. 2018). Mit welchen Methoden lassen sich angepasste Arten für urbane und ländliche Räume unter Berücksichtigung veränderter Klimabedingungen evaluieren?

Methodik der Literaturrecherche

Für die semi-systematische Literaturrecherche wurde die Schneeballmethode verwendet, dabei werden die Literaturverzeichnisse und Zitationen von vorher ausgewählten Grundlagenartikeln durchsucht. Die Methode gibt einen erweiterten Überblick, dennoch ist nicht ausgeschlossen, dass für den Diskurs relevante Forschungspositionen nicht aufgegriffen werden. Der Stand der Recherche ist Januar 2022. Als Grundlage für die Recherche in der Datenbank Scopus wurden folgende Artikel aufgrund Ihrer bisherigen Relevanz oder der Breite des Untersuchungsspektrums gewählt:

• The Climate-Species-Matrix to select tree species for urban habitats considering climate change (Roloff et al. 2009)
• Dendrochronological analysis of urban trees: Climatic response and impact of drought on frequently used tree species (Gillner et al. 2014)
• Improving confidence in tree species selection for challenging urban sites: a role for leaf turgor loss (Sjöman et al. 2018)
• Redefining the climate niche of plant species: A novel approach for realistic predictions of species distribution under climate change (Ferrarini et al. 2019)

Pflanzenarten der Landwirtschaft, Meerespflanzen oder Rasensorten werden nicht berücksichtigt. Die Methoden der Artikel wurden Kategorien zugeordnet. Die meisten Studien kombinieren mehrere Methoden, sodass der primär verwendete methodische Ansatz als Indikator für die Zuordnung verwendet wurde.

Ergebnisse: Vielfältige Methodenauswahl zur fundierten Pflanzenauswahl

Insgesamt wurden durch die Recherche in Scopus 275 Studien untersucht. Als relevant wurden zu den oben genannten vier Grundlagenartikeln 18 weitere Artikel eingestuft. Die Artikel sind im Durchschnitt 3,6 Jahre alt, der Älteste ist von 2009 und der Jüngste von Mai 2021.

Alle relevanten Studien wurden gleichermaßen aufbereitet und in Steckbriefen zusammengefasst. Diese befinden sich im digitalen Anhang und sind über https:// stadtundgruen.de/ressource-bornemann-laube.html abrufbar.

Abbildung 3 gibt einen Überblick über die verschiedenen Methodengruppen und deren Autoren. 19 der 22 Arbeiten behandeln eine oder mehrere Baumarten, insbesondere Stadtbäume. Lediglich zehn Arbeiten betrachten Stauden, vier Arbeiten Sträucher (s. Abbildung 4). Im Folgenden werden die verwendeten Methoden kurz vorgestellt.

Jahresringanalyse

Durch eine Jahresringanalyse, kann festgestellt werden, wie verschiedene Baumarten auf Klimaextreme reagieren. Abbildung 5 zeigt ein Beispiel aus der Dendrochronologie zur Klimarekonstruktion anhand einer Baumscheibe. Gillner et al. (2014) fanden an Stadtbaumarten in Dresden heraus, dass Platanus x hispanica, Quercus petraea und Q. rubra auch für Standorte mit höherem Trocken- und Hitzestress geeignet sind. Acer platanoides und A. pseudoplatanus sollten an städtischen Standorten mit geringerem Hitze- und Trockenstress verwendet werden. Kunz et al. (2018) verglichen durch die Jahrringanalyse in Süd-West-Deutschland als trockenheitstolerant eingeschätzte Waldarten mit Q. petraea und F. sylvatica. Im Ergebnis sind die kleinkronigeren Arten wie Acer campestre, Sorbus torminalis und Sorbus domestica genauso gut wie Q. petrea in der Lage, sich trockenheitsgefährdeten Standorten anzupassen. Nitschke et al. (2017) stellten das Radialwachstum und das Klima der unterschiedlichen Jahreszeiten in Bezug zueinander (Studienort Melbourne). Die ringporigen Gattungen Quercus und Ulmus sind von Herbst- und Frühjahrsdürren stärker betroffen. Wohingegen die streuporige Gattung Platanus vermehrt durch Trockenheits- und Hitzewellen im Sommer und Herbst benachteiligt wird.

Turgor-Ermittlung

Der osmotische Druck einer Pflanzenzelle, mit Hilfe dessen die Zelle gespannt ist, wird auch Turgor genannt. Sjöman et al. (2015) führten die Berechnung des Blattwasserpotenzials bei Turgorverlust

(?P0) im Frühjahr und Sommer bei 27 Arten der Gattung Acer in Ithaca, New York durch, die bisher weniger häufig in Städten verwendet werden, um neue potentielle Arten zu finden. Es konnten erhebliche Unterschiede in der Toleranz gegenüber Wasserdefiziten innerhalb der Sorten- und Artebene festgestellt werden. Des Weiteren sind Dauer und Zeitpunkt der Trockenheit entscheidend. Festgestellt wurde auch, dass Arten, die ursprünglich aus feuchteren Gebieten kommen, weniger trockenresistent sind, als Arten aus trockeneren Gebieten. Sjöman et al. (2018) bewiesen den Zusammenhang zwischen (?P0) und der Fähigkeit Trockenstress zu tolerieren. Analysiert wurden 45 Arten in Ithaca, New York, die zum Teil auch in Europa verwendet werden. Hannus et al. (2020) untersuchten ausschließlich Subspezies der Art Betula pendula aus verschiedenen Regionen der Welt, um die intraspezifischen Unterschiede bei der Trockenheitstoleranz feststellen zu können. Es ist erkennbar, dass sich die Umwelttoleranz signifikant nach der Herkunft unterscheidet.

Merkmalbasierte Klassifizierung

Tabassum et. al (2021) fanden bei 113 in Australien genutzten Pflanzen verschiedener Wuchsformen wenige Zusammenhänge bei der Trockenheitsverträglichkeit anhand von gartenbaulichen Literaturangaben und einer merkmalbasierten Einschätzung mit Blattmerkmalen. Zudem wurde keine signifikante Beziehung des Klimas der Herkunftsregion und der merkmalbasierten Klassifikation der Trockenheitsverträglichkeit gefunden.

Regenwasserabflussanalyse

Blanusa und Hadley (2019) erprobten in ihrem Experiment in Wisley (GB), wie viel Regenwasser verschiedene Heckenarten zurückhalten können, der sogenannte Interzeptionsspeicher. Liguster und Cotoneaster hielten am meisten Niederschlagswasser zurück. Cotoneaster und Crataegus verzögern den Beginn des Abflusses am längsten. Dies kann insbesondere in einer städtischen Umgebung oder in überschwemmungsgefährdeten Regionen verwendet werden, um Hochwasservorrichtungen zu unterstützen.

Chlorphyllfluoreszenzanalyse

Mit der Chlorophyllfloureszenz untersuchten Lewis et al. (2019) die Reaktionen auf hydrologische Stresssituationen der Art Primula vulgaris und verschiedenen Hybridsorten. Im Ergebnis ist die Ursprungsart toleranter gegenüber Stress als ihre Hybride. Je mehr die Hybriden der Ursprungsart ähneln desto höher ist ihre Toleranz.

Feinwurzelanalyse

Um herauszufinden, wie sich die Feinwurzelbildung von zwei häufig verwendeten Stadtbaumarten der Gattung Tilia verhält, führten Zhang et al. (2020) Bodenbohrungen in München durch. Daraus lässt sich schließen, dass T. cordata 'Greenspire' mit einer horizontalen Feinwurzelverbreitung mehr Bodenvolumen in der Breite benötigt, um besser mit Trockenperioden umgehen zu können. T. tomentosa 'Brabant' mit einer Tiefwurzelstrategie ist angepasster für Standorte mit weniger breitem Bodenvolumen und trockeneren Bodenverhältnissen.

Artenverteilungsmodelle

Walentowski et al. (2014) kombinierten die methodischen Ansätze der Artenverteilungsmodelle, feinräumigen ökologische Nischenanalyse sowie Jahrringanalysen zur Prognose von geeigneten Arten in Wäldern. Die am besten angepassten Arten der Fränkischen Tiefebene sind Acer campestre, Sorbus torminalis, S. aria, Ulmus minor und Tilia platyphyllos. Quercus petraea kann unter erhöhten Temperaturen überleben, während für Fagus sylvatica der Temperaturanstieg durch eine erhebliche Zunahme der Sommerniederschläge kompensiert werden muss, um die Vitalität zu erhalten. Die lokalen ökologischen Nischen von Quercus robur und Fraxinus excelsior sind hauptsächlich durch Böden mit günstiger Wasserversorgung und weniger durch das Klima gekennzeichnet.

Adjonou et al. (2020) stellten mit georeferenzierten Standortdaten von Pterocarpus erinaceus und Klimaszenarien fest, dass die potentielle Nische von P. erinaceus langfristig flächenmäßig größer werden wird und die Baumart eine hohe klimatische Widerstandsfähigkeit besitzt. Liu et al. (2021) verglichen die Stadtbäume in Shanghai mit ihren ursprünglichen Herkunftsgebieten bezüglich der Stresstoleranz. Die Pflanzen, die in ihrem Herkunftsgebiet Stress wie Wind, Staunässe, Versalzung oder Trockenheit ausgesetzt sind, konnten dies auch im städtischen Standort besser kompensieren. Ferrarini et al. (2019) wählten 401 Standorte von Silene acaulis in Nordamerika aus und erstellten eine relevante klimatische Nische. Die limitierenden Standortortfaktoren von S. aucalis korrelieren mit den Temperaturmaxima, den Wachstumstagen über 5 Grad Celsius sowie dem Breitengrad.

Zur Vorsicht bei der Vorhersage von Trockenheits- und Wärmetoleranz anhand von einfachen Klimavariablen der Herkunftsregionen mahnen Hanley et al. (2021). Ihre weltweiten Untersuchungen zeigten keine signifikanten Beziehungen und raten zur detaillierteren Erfassung der klimatischen Nischen in Kombination mit physiologischen Merkmalen.

Hypothesenanalyse

Lo Piccolo und Landi (2020) konnten mit einer Literaturanalyse nachweisen, dass rotblättrige Baumarten aufgrund der Blatt-Anthocyane bei begrenzter Wasserverfügbarkeit besser zurechtkommen sollten.

In-Situ Standortuntersuchung

Sjöman et al. (2012a) konnten in Regionen mit einem stadtähnlichen Klima in China und Moldawien 27 Baumarten identifizieren, von denen derzeit nur vier Arten regelmäßig in Städten verwendet werden. Mit einer dendroökologischen Habitatstudie in Rumänien wiesen Sjöman et al. (2012b) nach, dass die ungarische Eiche Quercus frainetto sehr gut stadtähnliches Klima im nördlichen Mitteleuropa toleriert.

Kriterienbasierte Entscheidungsmodelle

Roloff et al. (2009) bewerteten 250 verschiedene Baum- und Straucharten mit Hilfe einer zweidimensionalen Klima-Arten-Matrix. Diese basiert auf Literaturangaben zur Interpretation der Trockenheitstoleranz und Widerstandsfähigkeit. Asgarzadeh et al. (2014) erprobte anhand von Expertenwissen und qualitativen Parametern mit einem analytischen Hierarchieprozess klimaresiliente Baumarten für die Standortbedingungen der Stadt Teheran. Glenn et al. (2017) erarbeiteten aufbauend auf dem Prozess von Asgarzadeh et al. (2014) ein gewichtetes Entscheidungsmodell mit einer Conjoint-Analyse in der Entscheidungssoftware 1000minds und dem Praxis-Wissen von Experten. Mit Hilfe der Klimaprojektion für Melbourne 2090 wurden die Baumarten miteinander verglichen und nach ästhetischen und kulturellen Gesichtspunkten bewertet. Der Ansatz von McPherson et al. (2018) verbindet die Forschung mit der städtischen Baumschule in einem fünfstufigen Entscheidungsprozess, der sich leicht auf andere städtische Umgebungen übertragen lässt. Wesentliches Merkmal ist die vierjährige Evaluierungsphase mit Anpflanzungen vor Ort.

Diskussion - Viele Ansätze für mehr Vielfalt

Praktikabel sind solche Resultate, die direkte Artempfehlungen oder Vergleiche aufstellen. Diese Art von Ergebnissen enthalten unter anderem die Studien von Roloff et al. (2009), Sjöman et al. (2012a, 2015, 2018), Walentowski et al. (2014) und Zhang et al. (2020). Aufgrund des hohen Arbeitsaufwandes und der Softwareanforderungen sind für Praktiker lediglich die kriterienbasierten Entscheidungsmodelle von Asgarzadeh et al. (2014), Glenn et. al. (2017) und McPherson et al. (2018) auf Deutschland übertragbar. Ästhetische Ansprüche sind in allen Untersuchungen außer von Glenn et. al. (2017) nicht primär und werden in die Entscheidungsfindung nicht mit einbezogen. Auch die Ergebnisse von Sjöman et al. (2015), Sjöman et al. (2018), Blanusa und Hadley (2019), Tabassum et. al (2021), die Arten in anderen Regionen untersucht haben sind auf Deutschland übertragbar, weil standortunabhängige Merkmale verwendet wurden. Aufmerksamkeit ist bei der Übertragung von Ergebnissen von der freien Landschaft auf urbane Räume gefragt, da in Städten durch die Menschen und durch den Hitze-Insel-Effekt andere Standorteinflüsse wirken.

Ausblick - Mehr Vertrauen für neue Arten

Die Methoden und Ergebnisse erleichtern Praktikern die Auswahl und zeigen neue Perspektiven für die weitere Forschung auf. Insgesamt sind die Ergebnisse in unterschiedlicher Tiefe noch in der Praxis zu begleiten und weiter auf Sträucher und Stauden auszudehnen. Einige Ergebnisse müssen weiter validiert werden, wie die Zuverlässigkeit von Literaturangaben, die merkmalbasierte Klassifizierung und die Ableitung von Standortanforderungen anhand der Herkunftsgebiete. Die Ergebnisse sollten vor allem Verantwortlichen bei der Auswahl von neuen Baumarten Vertrauen schenken, um mehr grüne Vielfalt zu erhalten.

Quellen

Adjonou, Kossi; Abotsi, Komla Elikplim; Segla, Kossi Novinyo; Rabiou, Habou; Houetchegnon, Towanou; Sourou, K. N. Bienvenue et al. (2020): Vulnerability of African Rosewood (Pterocarpus erinaceus, Fabaceae) natural stands to climate change and implications for silviculture in West Africa. In: Heliyon 6 (6). DOI: 10.1016/j.heliyon.2020.e04031.

Asgarzadeh, Morteza; Vahdati, Kourosh; Lotfi, Mahmoud; Arab, Mostafa; Babaei, Alireza; Naderi, Farzaneh et al. (2014): Plant selection method for urban landscapes of semi-arid cities (a case study of Tehran). In: Urban Forestry & Urban Greening 13 (3), S. 450-458. DOI: 10.1016/j.ufug.2014.04.006.

Blanusa, Tijana; Hadley, James (2019): Impact of plant choice on rainfall runoff delay and reduction by hedge species. In: Landscape Ecol Eng 15 (4), S. 401-411. DOI: 10.1007/s11355-019- 00390-x.

Ferrarini, Alessandro; Dai, Junhu; Bai, Yang; Alatalo, Juha M. (2019): Redefining the climate niche of plant species: A novel approach for realistic predictions of species distribution under climate change. In: Science of The Total Environment 671, S. 1086-1093. DOI: 10.1016/j.scitotenv.2019.03.353.

Gillner, Sten; Bräuning, Achim; Roloff, Andreas (2014): Dendrochronological analysis of urban trees: climatic response and impact of drought on frequently used tree species. In: Trees 28 (4), S. 1079-1093. DOI: 10.1007/s00468-014-1019-9.

Glenn, P.; Rayner, John; May, E. (2017): Climate change and urban trees: using conjoint analysis to improve plant selection in botanic gardens and other designed landscapes. In: Acta Hortic. (1189), S. 311-316. DOI: 10.17660/ActaHortic.2017.1189.60.

Hanley, Paul; Arndt, Stefan; Livesley, Stephen; Szota, Christopher. (2021): Relating the climate envelopes of urban tree species to their drought and thermal tolerance. In: The Science of the total environment 753. DOI: 10.1016/j.scitotenv.2020.142012.

Hannus, Simon; Hirons, Andrew; Baxter, Timothy; McAllister, Hugh A.; Wiström, Björn; Sjöman, Henrik (2020): Intraspecific drought tolerance of Betula pendula genotypes: an evaluation using leaf turgor loss in a botanical collection. In: Trees. DOI: 10.1007/s00468- 020-02059-7.

Kunz, Jörg; Löffler, Georg; Bauhus, Jürgen (2018): Minor European broadleaved tree species are more drought-tolerant than Fagus sylvatica but not more tolerant than Quercus petraea. In: Forest Ecology and Management 414, S. 15-27. DOI: 10.1016/j.foreco.2018.02.016.

KLIWA (2019): Starkniederschläge Entwicklungen in Vergangenheit und Zukunft. Kurzbericht: 35 S. URL: www.kliwa.de/_download/KLIWA-Kurzbericht_Starkregen.pdf, zuletzt geprüft am 6.1.2022

Lewis, Emma; Phoenix, Gareth K.; Alexander, Paul; David, John; Cameron, Ross W. F. (2019): Rewilding in the Garden: are garden hybrid plants (cultivars) less resilient to the effects of hydrological extremes than their parent species? A case study with Primula. In: Urban Ecosyst 22 (5), S. 841-854. DOI: 10.1007/s11252-019-00865-7.

Liu, Ming; Zhang, Deshun; Pietzarka, Ulrich; Roloff, Andreas (2021): Assessing the adaptability of urban tree species to climate change impacts: A case study in Shanghai. In: Urban Forestry & Urban Greening 62. DOI: 10.1016/j.ufug.2021.127186.

Lo Piccolo, Ermes; Landi, Marco (2020): Red-leafed species for urban "greening" in the age of global climate change. In: Journal of Forest Research 32 (1), S. 151-159. DOI: 10.1007/s11676-020- 01154-2.

McPherson, E.Gregory; Berry, Alison M.; van Doorn, Natalie S. (2018): Performance testing to identify climate-ready trees. In: Urban Forestry & Urban Greening 29, S. 28-39. DOI: 0.1016/j.ufug.2017.09.003.

Nitschke, Craig R.; Nichols, Scott; Allen, Kathy; Dobbs, Cynnamon; Livesley, Stephen J.; Baker, Patrick J.; Lynch, Yvonne (2017): The influence of climate and drought on urban tree growth in southeast Australia and the implications for future growth under climate change. In: Landscape and Urban Planning 167, S. 275-287. DOI: 10.1016/j.landurbplan.2017.06.012.

Roloff, Andreas; Korn, Sandra; Gillner, Sten (2009): The Climate-Species-Matrix to select tree species for urban habitats considering climate change. In: Urban Forestry & Urban Greening 8 (4), S. 295-308. DOI: 10.1016/j.ufug.2009.08.002.

Sjöman, Henrik; Gunnarsson, Allan; Pauleit, Stephan; Bothmer, Roland (2012a): Selection Approach of Urban Trees for Inner-city Environments: Learning from Nature. In: Arboriculture & Urban Forestry, S. 194-204.

Sjöman, Henrik; Oprea, Adrian; Nielsen, Anders Busse (2012b): Searching future urban trees for north-west Europe through dendro-ecological studies - A case study of Quercus frainetto in north-east Romania. In: Arboricultural Journal 34 (4), S. 190-202. DOI: 10.1080/03071375.2012.747668.

Sjöman, Henrik; Hirons, Andrew D.; Bassuk, Nina L. (2015): Urban forest resilience through tree selection-Variation in drought tolerance in Acer. In: Urban Forestry & Urban Greening 14 (4), S. 858-865. DOI: 10.1016/j.ufug.2015.08.004.

Sjöman, Henrik.; Hirons, Andrew D.; Bassuk, Nina. L. (2018): Improving confidence in tree species selection for challenging urban sites: a role for leaf turgor loss. In: Urban Ecosyst 21 (6), S. 1171-1188. DOI: 10.1007/s11252-018-0791-5.

Statista (2021): Wärmste Jahre in Deutschland nach Durchschnittstemperatur bis 2020 | Statista. URL: de.statista.com/statistik/daten/studie/164050/umfrage/waermste-jahre-in-deutschlandnach-durchschnittstemperatur/, zuletzt abgerufen am 6.01.2022

Tabassum, S.; Ossola, A.; Marchin, R.; Ellsworth, D.; Leishman, M. (2021): Assessing the relationship between trait-based and horticultural classifications of plant responses to drought. In: Urban Forestry & Urban Greening 61. DOI: 10.1016/j.ufug.2021.127109.

UFZ-Dürremonitor/Helmholtz-Institut für Umweltforschung (2021): Dürremonitor Deutschland. URL: www.ufz.de/index.php, zuletzt abgerufen am 1.2.2022

Walentowski, Helge; Falk, Wolfgang; Mette, Tobias; Kunz, Jörg; Bräuning, Achim; Meinardus, Cathrin et al. (2014): Assessing future suitability of tree species under climate change by multiple methods: a case study in southern Germany. In: Annuals of Forest Research 60 (1). DOI: 10.15287/afr.2016.789.

WSL (Eidgenössische Forschungsanstalt für Wald, Schnee und Landschaft) (2022): Jahrring-Forschung ist mehr als Baumringe zählen. URL: www.wsl.ch/de/wald/jahrringe-und-baumwachstum/mehr-als-baumringe-zaehlen.html, zuletzt abgerufen am 1.2.2022

Zhang, Chi; Stratópoulos, Laura Myrtiá Faní; Xu, Chao; Pretzsch, Hans; Rötzer, Thomas (2020): Development of Fine Root Biomass of Two Contrasting Urban Tree Cultivars in Response to Drought Stress. In: Forests 11 (1), S. 108. DOI: 10.3390/f11010108.