Zusammenfassung

Eine neue Hypothese legt nahe, dass die Waldbedeckung eine viel größere Rolle bei der Bestimmung des Niederschlags spielt als bisher angenommen. Es erklärt, wie bewaldete Regionen große Strömungen in atmosphärischem Wasserdampf erzeugen. Unter dieser Hypothese, Hohe Niederschläge treten in kontinentalen Innenräumen wie dem Amazonas- und dem Kongo-Einzugsgebiet nur aufgrund der nahezu kontinuierlichen Waldbedeckung vom Landesinneren bis zur Küste auf. Der zugrunde liegende Mechanismus betont die Rolle von Verdampfung und Kondensation bei der Erzeugung von atmosphärischen Druckunterschieden und erklärt mehrere Phänomene, die von bestehenden Modellen vernachlässigt werden. Es deutet darauf hin, dass selbst lokalisierte Waldverluste manchmal einen feuchten Kontinent in trockene Bedingungen verwandeln können. Wenn es die Prüfung überlebt, wird diese Hypothese unsere Sicht auf Waldverlust, Klimawandel, Hydrologie und Umweltdienstleistungen verändern. Es bietet neue Untersuchungslinien in der Makroökologie und Landschaftsökologie, Hydrologie, Waldrestaurierung, und Paläoklimate. Es bietet auch eine überzeugende neue Motivation für den Waldschutz.

Das Leben hängt vom Wasserkreislauf der Erde ab, insbesondere von den Prozessen, die Feuchtigkeit von den Ozeanen an Land transportieren. Die Rolle der Vegetation bleibt umstritten. Einheimische in vielen teilweise bewaldeten Regionen glauben, dass Wälder Regen „anziehen“, während die meisten modernen Klimaexperten anderer Meinung sind. Aber eine neue Hypothese legt nahe, dass die Menschen vor Ort richtig sein können.

Die hydrologischen Systeme der Welt verändern sich rasant. Die Ernährungssicherheit in vielen Regionen ist durch veränderte Niederschlagsmuster stark bedroht (Lobell et al. 2008). Inzwischen hat die Entwaldung die aus Wäldern stammenden Dampfströme bereits um fast fünf Prozent reduziert (geschätzte 3000 Kubikkilometer pro Jahr einer globalen terrestrischen Gesamtmenge von 67.000 km3), ohne Anzeichen einer Verlangsamung (Gordon et al. 2005). Die Notwendigkeit zu verstehen, wie die Vegetationsbedeckung das Klima beeinflusst, war noch nie so dringend.

Makarieva und Gorshkov haben eine Hypothese entwickelt, um zu erklären, wie Wälder feuchte Luft anziehen und wie kontinentale Regionen wie das Amazonasbecken feucht bleiben (Makarieva et al. 2006, Makarieva und Gorshkov 2007 und zugehörige Online-Diskussionen; im Folgenden gemeinsam „Makarieva und Gorshkov“). Die Auswirkungen sind erheblich. Herkömmliche Modelle sagen typischerweise einen „moderaten“ Rückgang der Niederschläge um 20 bis 30 Prozent nach Entwaldung im kontinentalen Maßstab voraus (Bonan 2008). Im Gegensatz dazu schlagen Makarieva und Gorshkov vor, dass selbst relativ lokalisierte Rodungen letztendlich das gesamte kontinentale Klima von nass auf trocken umstellen könnten, wobei die Niederschläge im Landesinneren um mehr als 95 Prozent zurückgehen.

Während die Veröffentlichungen von Makarieva und Gorshkov technisch sind und die Physik hinter ihrer Hypothese beschreiben, erklären wir die Grundideen und ihre Bedeutung für ein breiteres Publikum. Wir beginnen mit der Feststellung, warum die Ideen glaubwürdig sind und Beachtung verdienen. Wir fassen dann das konventionelle Verständnis der Wald-Klima-Wechselwirkungen und die Vorschläge von Makarieva und Gorshkov zusammen. Wir konzentrieren uns auf tropische Wälder. Nachdem wir untersucht haben, was diese Wälder so besonders macht, betrachten wir verschiedene Implikationen und Forschungsmöglichkeiten im Zusammenhang mit der Hypothese von Makarieva und Gorshkov. Abschließend unterstreichen wir die Bedeutung dieser Ideen für den Waldschutz.

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Trotz umfangreicher Forschung sind die Mechanismen, die das globale Klima bestimmen, nach wie vor wenig verstanden. Jede Konsenszusammenfassung zur Klimaphysik muss mehr Worte für die Detaillierung von Unsicherheiten als für Fakten aufwenden (z. B. IPCC 2007). Trotz anerkannter Fortschritte in den letzten Jahrzehnten werden nicht alle wichtigen Erkenntnisse sofort unter den Tausenden von veröffentlichten Artikeln vermerkt. Makarieva und Gorshkovs Arbeit, die sich auf die Gleichungen des atmosphärischen Verhaltens konzentriert, scheint zu Unrecht ignoriert worden zu sein. Unsere eigene Einschätzung sowie die von Expertenkollegen, mit denen wir uns beraten haben, ist, dass die Hypothese von Makarieva und Gorshkov interessant und wichtig ist. Es muss nun geprüft und bewertet werden.

Konventionelles Verständnis

Die Entwaldung wurde als Beitrag zum Rückgang der Niederschläge in verschiedenen Regionen (einschließlich der Sahelzone, Westafrika, Kamerun, Zentralamazonien und Indien) sowie zur Abschwächung des Monsuns in Verbindung gebracht (Fu et al. 2002, Gianni et al. 2003, Malhi und Wright 2005). Die Verbindungen bleiben jedoch ungewiss.

Beobachtungen deuten darauf hin, dass extensive Entwaldung häufig die Wolkenbildung und den Niederschlag reduziert und die Saisonalität verstärkt (Bonan 2008). Waldlichtungen können eine ausgeprägte, konvektionsgetriebene „Vegetationsbrise“ verursachen, bei der feuchte Luft aus dem Wald gezogen wird (Laurance 2005). Es wird angenommen, dass atmosphärische Turbulenzen, die sich aus der Rauheit der Baumkronen und der temperaturbedingten Konvektion ergeben, den lokalisierten Anstieg der Niederschläge erklären, der manchmal mit einer fragmentierten Waldbedeckung verbunden ist (Bonan 2008).

Da die Möglichkeiten für experimentelle Untersuchungen begrenzt sind, sind Klimaforscher stark auf Simulationsmodelle angewiesen, um ihr Verständnis zu verbessern. Die meisten modernen Modelle implizieren einen lokalen Rückgang der Niederschläge nach der Entwaldung sowie regionale und sogar interkontinentale Klimaauswirkungen (Bonan 2008). Für Klimamodellierer sind die wichtigsten Änderungen im Zusammenhang mit der Entwaldung ein reduzierter Blattflächenindex, eine Wurzeltiefe, eine Rauheit der Überdachung und eine Rauhigkeitslänge (Maßnahmen, die den Luftstrom beeinflussen) sowie eine höhere Albedo (Reflektivität). Diese Veränderungen, ihre Wechselwirkungen und Einflüsse sowie ihre Abhängigkeit von Kontexten und Skalen werden jedoch nur in groben Zügen verstanden. Es bestehen weiterhin viele Unsicherheiten, insbesondere über den Einfluss von Verdunstung, Konvektion, Wolkenentwicklung sowie Aerosolen und Landbedeckung und darüber, wie sich Änderungen der Wolkendecke in Änderungen des Niederschlags niederschlagen (IPCC 2007).

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Atmosphärische Feuchtigkeit entsteht durch ozeanische und terrestrische Verdunstung. Regen, der aus terrestrischen Quellen stammt und zu lokalen Niederschlägen beiträgt, wird als „recycelt“ bezeichnet.“ Herkömmliche Erklärungen für nasse kontinentale Innenräume betonen dieses Recycling – aber summieren sich die Zahlen?

Der Anteil des recycelten Regens, ein Maß, das von der Ausdehnung des betrachteten Gebiets abhängt, zeigt kaum konsistente Unterschiede zwischen nassen und trockenen Regionen: geschätzte 25 bis 60 Prozent im Amazonasgebiet (z. B. Marengo 2005), 28 Prozent in der Nilregion (Mohamed et al. 2005), mehr als 50 Prozent für Sommerregen im Mittleren Westen der Vereinigten Staaten (Bosilovich und Schubert 2002) und mehr als 90 Prozent für die Sahelzone (Savenije 1995). Was an feuchten Regionen rätselhaft ist, ist nicht der Anteil des Recyclings, sondern die Frage, was die Zuflüsse von Luftfeuchtigkeit nach innen antreibt, die erforderlich sind, um das zu ersetzen, was durch Flüsse abfließt (Savenije 1996).

Die konventionelle Theorie bietet keine klare Erklärung dafür, wie flache Tiefländer in kontinentalen Innenräumen ein feuchtes Klima aufrechterhalten. Makarieva und Gorshkov zeigen, dass, wenn nur „konventionelle Mechanismen“ (einschließlich Recycling) gelten, der Niederschlag mit der Entfernung von den Ozeanen exponentiell abnehmen sollte. Forscher rätselten zuvor über einen fehlenden Mechanismus, um beobachtete Niederschlagsmuster zu erklären (Eltahir 1998). Die Hypothese von Makarieva und Gorshkov bietet eine elegante Lösung: Sie nennen es eine „Pumpe.“

Eine atmosphärische Feuchtigkeitspumpe

Druckgradienten, die durch Temperatur und Konvektion angetrieben werden, gelten in der konventionellen Meteorologie als die Haupttreiber von Luftströmungen. Makarieva und Gorshkov argumentieren, dass die Bedeutung der Verdampfung und Kondensation übersehen wurde.

Makarieva und Gorshkov weisen darauf hin, dass der Partialdruck von Wasserdampf in der Nähe der Erdoberfläche unter typischen atmosphärischen Bedingungen das Gewicht des in der Atmosphäre darüber befindlichen Wassers erheblich übersteigt. Sie argumentieren, dass dieses Ungleichgewicht starke Luftströme erzeugen kann. Die Kraft ergibt sich aus der Art und Weise, wie Temperatur und Druck mit der Höhe in der Troposphäre (untere Atmosphäre) abnehmen. Wenn der vertikale Temperaturabfall (die „Lapse Rate“) kleiner als der kritische Wert von 1 ist.2 Grad Celsius (° C) pro km kann atmosphärisches Wasser statisch und gasförmig bleiben. Aber die globale durchschnittliche Lapse-Rate beträgt mehr als 6 ° C pro km. Bei diesen höheren Raten steigt Wasserdampf auf und kondensiert. Die Verringerung des atmosphärischen Volumens, die während dieses Gas-Flüssigkeits-Phasenwechsels stattfindet, bewirkt eine Verringerung des Luftdrucks. Dieser Druckabfall wird routinemäßig übersehen.

Luftströmungen in der Nähe der Erdoberfläche fließen dorthin, wo der Druck am niedrigsten ist. Laut Makarieva und Gorshkov sind dies die Gebiete mit den höchsten Verdunstungsraten. In äquatorialen Klimazonen weisen Wälder höhere Verdunstungsraten auf als andere Bedeckungsarten, einschließlich offenem Wasser. So ziehen Wälder feuchte Luft von anderswo an; Je größer die Waldfläche, desto größer sind die angesaugten Mengen feuchter Luft (siehe Abbildung 1). Diese zusätzliche Feuchtigkeit steigt auf und kondensiert wiederum, was eine positive Rückkopplung erzeugt, bei der ein großer Teil des Wassers, das als Wolken über nassen Bereichen kondensiert, von anderswo angesaugt wird. Die Treiber (Sonneneinstrahlung) und grundlegende thermodynamische Konzepte und Beziehungen sind die gleichen wie bei herkömmlichen Modellen, daher sind die meisten Verhaltensweisen identisch — der Unterschied liegt darin, wie Kondensation eingebaut wird.

Die Schätzungen von Makarieva und Gorshkov, die Volumenänderungen durch Kondensation einbeziehen, implizieren, dass bei ausreichender Waldbedeckung genügend feuchte Luft angesaugt wird, um einen hohen Niederschlag in den Kontinenten aufrechtzuerhalten. Die Zahlen addieren sich jetzt: somit, Kondensation bietet einen Mechanismus, um zu erklären, warum kontinentale Niederschläge nicht immer mit der Entfernung vom Ozean abnehmen.

Verdunstung und Wälder

Wir unterscheiden zwei Arten der Verdunstung. Transpiration ist der Verdampfungsfluss aus Pflanzen; pflanzen bestimmen diesen Fluss, indem sie ihre Stomata (Poren auf Blättern und anderen Oberflächen) kontrollieren. Die Verdunstung von nassen Oberflächen, Böden und offenem Wasser ist ebenfalls wichtig. Welcher Weg am meisten zur Gesamtverdampfung beiträgt, hängt von den Bedingungen ab (Calder 2005, Savenije 2004).

Wälder verdampfen mehr Feuchtigkeit als andere Vegetation und übersteigen typischerweise die Feuchtigkeit aus der krautigen Bedeckung um den Faktor 10 (Calder 2005). Geschlossene tropische Wälder verdampfen typischerweise mehr als einen Meter Wasser pro Jahr (Gordon et al. 2005). Einige verdampfen mehr als zwei Meter (Loescher et al. 2005).

Die Verdunstung des Waldes profitiert von der Höhe und Rauheit der Baumkronen, was zu turbulenten Luftströmungen führt. Dies wurde als „Wäscheleineeffekt“ bezeichnet, da Wäsche aus demselben Grund schneller an einer Leine trocknet als flach auf den Boden gelegt (Calder 2005). Wenn die Feuchtigkeit ausreicht, wird die Verdunstung des Waldes hauptsächlich durch Sonneneinstrahlung und Wetter eingeschränkt (Calder et al. 1986, Savenije 2004). Große tropische Bäume können täglich mehrere hundert Liter Wasser durchsickern lassen (Goldstein et al. 1998).

Wasserreserven sind wichtig. Pflanzen mit hohem Stammvolumen lassen die Transpiration die Wurzelaufnahme übertreffen, da die Stammwasserreserven tagsüber erschöpft und nachts wieder aufgefüllt werden (Goldstein et al. 1998, Sheil 2003). Bäume (und Waldlianen) haben typischerweise tiefere Wurzeln als andere Vegetation und können daher während Dürren auf unterirdische Feuchtigkeit zugreifen (Calder et al. 1986, Nepstad et al. 1994). Viele Waldböden besitzen gute Wasserinfiltrations— und Speichereigenschaften, die oft durch Entwaldung verloren gehen (Bruijnzeel 2004). Die vertikale Translokation von Bodenwasser durch das Waldbodenprofil durch Wurzeln in der Nacht kann ebenfalls wichtig sein (Lee et al. 2005). An einigen Standorten — insbesondere in Nebelwäldern und Wäldern, die Küstennebeln ausgesetzt sind — tragen reichlich Moose und dichtes Laub zu einem effizienten Abfangen von Nebel und Tau bei (Dietz et al. 2007).

Makarieva und Gorshkov schlagen vor, dass Wälder beeinflussen können, wenn Regen fällt. Niederschlag tritt auf, sobald sich kondensierte Feuchtigkeit angesammelt hat und der durch aufsteigende feuchte Luft erzeugte Auftrieb niedrig genug ist. Sie stellen fest, dass die Verdunstung abnimmt, wenn Pflanzen ihre Stomata schließen, wie dies häufig in der zweiten Tageshälfte der Fall ist, um Feuchtigkeitsstress zu lindern (Pons und Welschen 2004). Dieser Rückgang könnte erklären, warum der meiste tropische Regen nach Mittag in vielen terrestrischen (aber nicht in marinen) Umgebungen fällt (Nesbitt und Zipser 2003). Diese Vorhersage erfordert eine Untersuchung.

Niederschlagsdurchschnitte

Die Hypothese von Makarieva und Gorshkov sagt zwei Arten von Niederschlagstrends von Küste zu kontinentalem Innenraum voraus (nach einem Transektpfad senkrecht zu den regionalen Isohyets ; Savenije 1995). Sie schlagen vor und zeigen, dass waldfreie Transekte unabhängig von Standort und Saisonalität eine nahezu exponentielle Verringerung der jährlichen Niederschläge mit zunehmender Entfernung von der Küste aufweisen, während gut bewaldete Transekte keine aufweisen (Abbildung 2).

Globale Klimamodelle passen möglicherweise zu diesen Niederschlagsmustern, aber sie sagen sie nicht voraus. Dies ist eine wichtige Unterscheidung. Wie Makarieva und Gorshkov bemerken: „Es ist allgemein anerkannt, dass die moderne Darstellung der atmosphärischen Konvektion in GCMs eine Parametrisierung und keine Theorie ist.“

Saisonale Niederschläge

Wie gilt die Hypothese von Makarieva und Gorshkov in den saisonalen Tropen? Diese Monsunklima wechseln zwischen zwei Zuständen: nass und trocken. Dieser Wechsel wird durch den jährlichen Rhythmus der Sonnenenergie außerhalb der Äquatorregionen und ihre unterschiedlichen Auswirkungen auf Land und Meer angetrieben. Nach Ansicht von Makarieva und Gorshkov ist das Schalten eher als eine klassische temperaturbasierte Erklärung von relativen Verdampfungsflüssen abhängig. In Jahreszeiten mit reduzierter Sonnenenergie verdunstet Land weniger Feuchtigkeit als offenes Wasser (die ozeanische Verdunstung bleibt auch im Winter erheblich), und die Meere ziehen Luft aus dem Land, was zu einer Trockenzeit führt (siehe Abbildung 1c). Wenn stärkerer Sonnenschein zurückkehrt, reicht die Sonnenenergie wieder aus, damit das Land mehr Feuchtigkeit verdampft als benachbarte Meere, was zu dem Schwung der Luftströmungen führt, der den klassischen Monsun kennzeichnet. Die Umschaltung hängt von den positiven Rückkopplungen im Verdunstungs-Regen-System ab.

Nicht alle saisonalen Verschiebungen der tropischen Niederschläge sind jedoch ähnlich. Ein Großteil des tropischen Südamerikas erlebt eine verlängerte Trockenzeit – jedoch ohne eine klare Umschaltung der Luftströmungen von und zur Küste (Zhou und Lau 1998). Bemerkenswert ist, dass weite Gebiete dieser Wälder während der Trockenzeit grün bleiben, indem sie auf tiefe Bodenfeuchtigkeitsreserven zugreifen, die in jeder Regenzeit aufgefüllt werden (Juarez et al. 2007, Myneni et al. 2007). Die resultierende Verdunstung in der Trockenzeit überwindet den Einfluss des niedrigeren Luftdrucks auf See nicht vollständig, kann jedoch laut Makarieva und Gorshkov den Unterschied gering halten und die Wahrscheinlichkeit von Regen auf der Erde erhöhen.

In der Hypothese von Makarieva und Gorshkov können die Regenzeiten früher beginnen, wenn ihnen eine hohe Verdunstung an Land vorausgeht, und später (oder gar nicht) beginnen, wenn die Verdunstung niedrig ist. Diese Vorhersage stimmt mit Beobachtungen im südlichen Amazonien überein, wo schwere Dürre die Fähigkeit der Vegetation verringert, zu transpirieren und den Beginn der Regenzeit zu verzögern (Fu und Li 2004). Waldverlust und verminderte Verdunstung können somit das Eindringen von Monsunregen verringern und die Dauer der Regenzeit verkürzen.

Räumliche Kontexte und Schaltzustände

Die Ideen von Makarieva und Gorshkov stimmen mit konventionellen Klimamodellen überein, gehen aber weit darüber hinaus, die implizieren, dass binnenstaatliche Klimasysteme, die weniger von Ozeanen gepuffert werden, anfälliger für Landbedeckungsänderungen sind als Küstengebiete (Zhang et al. 1996), während der Waldverlust in Küstenregionen typischerweise breitere klimatische Auswirkungen hat (van der Molen et al. 2006). Laut Makarieva und Gorshkov hört der Fluss der Luftfeuchtigkeit auf, wenn der nahezu ununterbrochene Wald, der zum Transport feuchter Luft von den Küsten zu den kontinentalen Innenräumen benötigt wird, durchtrennt wird. So kann das Roden eines Waldbandes in Küstennähe ausreichen, um ein feuchtes kontinentales Inneres auszutrocknen. Darüber hinaus kann die Rodung von genügend Wald innerhalb der größeren Waldzone den Nettoneuchtigkeitstransport von Ozean zu Land auf Land zu Ozean umstellen, so dass alle Waldreste ausgetrocknet werden müssen. Natürlich müssen solche Risiken bewertet und verstanden werden.

Zur Veranschaulichung schlagen Makarieva und Gorshkov vor, dass ein bewaldetes Australien von prähistorischen Siedlern in die Wüste „überführt“ wurde. Aborigines Brennen reduziert Küstenwälder, was zu kontinentalen Austrocknung. Ist das glaubwürdig? Die Jury bleibt draußen. Die Menschen kamen in Australien während der letzten Eiszeit an, als ein Großteil der Welt trockener war als heute. Sicherlich war Australien in der Vergangenheit gut bewaldet, aber andererseits sind trockene Episoden vor der Ankunft des Menschen aufgetreten (Morley 2000).

Die Suche nach weiteren Beweisen

Wo sonst, abgesehen von den Transsektendaten und dem Zeitpunkt des Monsuns, könnten wir Beweise für oder gegen die Hypothese von Makarieva und Gorshkov suchen? Vermutlich wäre das Muster in tiefen kontinentalen Innenräumen, die von verschwindendem Wald umgeben sind, ideal. Wo gute Langzeitdaten über Regen und Wald verfügbar sind, stammen sie leider aus Küstenregionen, in denen Meeresklima vorherrscht, und aus Bergregionen, in denen der Niederschlag vom Gelände abhängt. Die viel zitierte Beobachtung, dass ein Jahrhundert Niederschlagsaufzeichnungen in den jetzt stark entwaldeten Ausläufern von Karnataka, Südindien, nur mit einem geringfügigen Rückgang der jährlichen Regentage verbunden ist, ist daher nicht sehr aufschlussreich (Meher-Homji 1980).

Daten zur Klimavariabilität könnten aufschlussreicher sein: Die Hypothese von Makarieva und Gorshkov legt nahe, dass der Waldverlust mit einem Verlust stabilisierender Rückkopplungen und einer erhöhten klimatischen Instabilität verbunden sein wird. Im brasilianischen Atlantischen Regenwald wurde eine solche Korrelation zwischen einer verringerten Baumbedeckung und einer erhöhten lokalen interannuellen Variation der Niederschläge festgestellt (Webb et al. 2005).

Neue Untersuchungen

Die Hypothese von Makarieva und Gorshkov hat Auswirkungen auf viele verschiedene Bereiche. Wir betrachten kurz einige.

Wasser ergibt.

Makarieva und Gorshkovs Vorhersage und Demonstration unterschiedlicher Niederschlagsmuster über Wäldern und nicht bewaldeten Transekten sind überzeugend. Aber das sind Verallgemeinerungen: sie ignorieren Variationen in Landform und Deckungsarten innerhalb jedes Transekts und den Einfluss von Luftzirkulationsmustern (die ideale Transektrichtung variiert über das Jahr). Sie sagen das Verhalten feuchter Luft über Mischwald- / Nichtwaldtransekten nicht voraus – die Regionen, in denen die Waldbedeckung oft am schnellsten verschwindet. Satellitenbeobachtungen (z.B. Wang et al. 2009) und verschiedene vorhandene Daten, wie die aus dem Internationalen Geosphären-Biosphärenprogramm transects, könnten mehr Licht auf diese Muster werfen (siehe www.igbp.kva.se). Neben mehr Felddaten werden lokale und regionale Simulatoren benötigt, in denen Mechanismen, Szenarien und Konsequenzen erforscht werden können.

Hydrologische Kompromisse in modifizierten Landschaften sind maßstabsabhängig. In der Standardansicht, die durch Felddaten gut verifiziert wurde, führt eine deutliche Verringerung der Waldbedeckung zu weniger Wasserverlust durch Verdunstung und erhöhtem lokalen Abfluss (Calder 2005). Im Gegensatz dazu legt die Hypothese von Makarieva und Gorshkov nahe, dass von Wäldern verdunstetes Wasser typischerweise mit Interesse zurückgegeben wird, so dass wir einen Rückgang der Niederschläge erwarten würden, was zu einem geringeren Abfluss in einer größeren Region führt, wenn die Wälder erschöpft sind.

Feuer.

Die Rolle von Brandschäden bei der Walddegradation ist ein etabliertes positives Feedback: Sobald ein Wald bereits verbrannt oder anderweitig gestört und beschädigt wurde, wird er brennbarer und brennt daher eher wieder (Laurance 2005). Die Hypothese von Makarieva und Gorshkov fügt diesem Zyklus Dürre hinzu. Feuer schädigt die Eigenschaften, die Wälder feucht und nicht brennbar halten – die gleichen Eigenschaften, die Makarieva und Gorshkovs Pumpe antreiben. Feuer reduziert die Blattfläche und die Wurzeldichten, die für den hydraulischen Auftrieb verantwortlich sind, und schwächt somit die Fähigkeit der Vegetation, die Unterholzfeuchtigkeit aufrechtzuerhalten. Reduzierte Verdunstung wiederum reduziert Niederschläge, was zu erhöhten Dürren, größerer Entflammbarkeit und erhöhtem Brandrisiko führt — und somit eine zusätzliche und unwillkommene positive Rückkopplung in den Abbauzyklus hinzufügt.

Vegetation Rückmeldungen.

Die Hypothese von Makarieva und Gorshkov wirft Fragen zur Rolle von Rückkopplungen in der Landschaftsökologie auf. Zum Beispiel ist das wettbewerbsfähigste phänologische Verhalten von Blättern vom Klima abhängig. Unter den Bäumen wird immergrünes Laub durch eine hohe saisonale Unvorhersehbarkeit und auch durch eine geringe saisonale Variation der Feuchtigkeitsverfügbarkeit begünstigt, während Laub durch intensive und ausgedehnte Dürren sowie durch saisonale Vorhersagbarkeit begünstigt wird (Givnish 2002). Darüber hinaus sind einige Laubbäume bündig (d.h., produzieren neue Blätter) lange bevor — und einige erst nach – der Regen kommt, wobei ersteres in vorhersehbareren saisonalen Kontexten und letzteres in unregelmäßigeren Bedingungen bevorzugt wird. Die Hypothese von Makarieva und Gorshkov impliziert, dass diese Verhaltensweisen, indem sie die Verdunstungsraten beeinflussen, das Klima beeinflussen werden. In Monsunregionen fördern immergrüne und frühspülende Laubvegetation das Ende der Trockenzeit früher und regelmäßiger, während spätspülende Laubwälder längere Trockenperioden erleben. Unter Anwendung der Hypothese von Makarieva und Gorshkov erwarten wir, dass diese phänologischen Verhaltensweisen die klimatischen Bedingungen begünstigen, an die sie am besten angepasst sind.

Aber nicht alle Rückmeldungen sind unbedingt positiv. Zum Beispiel machen immergrüne Lianen in vielen saisonalen Tropenwäldern einen erheblichen Teil des Baldachins aus, wo ihre Dominanz durch die lange Trockenzeit begünstigt zu sein scheint (Schnitzer 2005). Jeder daraus resultierende Anstieg der Niederschläge sollte die Bäume gegenüber den Lianen begünstigen.

Evolution und emergente Stabilität.

Haben sich Wälder entwickelt, um Regen zu erzeugen? Diese Idee berührt die viel diskutierten Möglichkeiten des emergenten selbststabilisierenden Verhaltens (oder „Gaia“; z. B. Lenton und van Oijen 2002). Bäume und Wälder haben sich in der Erdgeschichte mehrfach entwickelt, was auf einen wiederholten Trend hindeutet, reiche, sich selbst bewässernde terrestrische Lebensräume zu schaffen. Wie die vorangegangenen Diskussionen zeigen, gibt es Spielraum für selbststabilisierende Interaktionen (siehe auch Makarieva und Gorshkov 2007). Aber da die Eigenschaften, die für eine effektive Waldpumpe erforderlich sind, auch den einzelnen Bäumen zugute kommen, scheint es, dass jede Pumpe als evolutionäre Konsequenz des Wettbewerbs auf individueller Ebene entsteht – sie vergrößert die Waldausdehnung, aber das ist nicht der Grund, warum sie sich entwickelt hat.

Paläoklimas.

Die Hypothese von Makarieva und Gorshkov liefert mit ihrem Klimawechsel neue Wendungen zu alten Kontroversen. Die Ankunft des Menschen in zuvor unbewohnten Regionen in den letzten 50.000 Jahren ist unweigerlich mit dem Aussterben verbunden, insbesondere bei größeren Tieren (wie im oben genannten australischen Beispiel). Die gleichzeitige Rolle des Klimawandels, der als natürliches Phänomen angesehen wird, wird weiterhin diskutiert (Koch und Barnosky 2006). Wenn schwerwiegende Klimaauswirkungen plausibel auf uralte, vom Menschen verursachte Veränderungen des Lebensraums zurückzuführen sind, muss die Abfolge der Ereignisse in diesem Rahmen neu bewertet werden.

Die Hypothese von Makarieva und Gorshkov sagt uns nicht, wie Wälder nach den katastrophalen Ereignissen, die die Erdgeschichte prägen, wiederhergestellt werden können (Morley 2000). Diese Frage erfordert, dass wir die Rückkopplungsprozesse und Schwellenwerte, die räumlich auf verschiedenen Skalen wirken, und die Einflüsse, die auf sie einwirken, entschlüsseln. Sicherlich argumentiert die Hypothese nicht, dass solche Grünungen nicht auftreten können. Vermutlich kann sich ein Wald sogar in einem feuchten Küstengebiet ansiedeln, wo der Niederschlag exponentiell mit der Entfernung von der Küste abnimmt, und er kann progressiv ins Landesinnere vordringen und feuchte Luft mit sich ziehen. Die Hypothese von Makarieva und Gorshkov könnte klären, wie Südamerika, aber nicht Afrika, es geschafft hat, großflächiges, feuchtes Innenklima durch vergangene Eiszeiten aufrechtzuerhalten. Vielleicht beeinflusste in Afrika die Anwesenheit großer Pflanzenfresser und angestammter Menschen mit Feuer das Gleichgewicht zwischen Wald- und Nichtwaldvegetation, wodurch die Stabilität verringert und das Klima umgeschaltet werden konnte.

Bewirtschaftete Vegetation.

Im Gegensatz zu Makarieva und Gorshkov, die vorschlagen, dass nur natürliche und intakte Wälder eine funktionierende atmosphärische Pumpe aufrechterhalten können, vermuten wir, dass Sekundärwald und Plantagen wünschenswerte Verdunstungseigenschaften haben können (siehe z.B. Olchev et al. 2008). Während die höhere Entflammbarkeit solcher Vegetation auf eine weniger feuchte Umgebung hindeutet, was wiederum eine weniger effektive Pumpe impliziert, sind solche Eigenschaften nicht unvermeidlich und können durch das Management beeinflusst werden. Diese Eigenschaften müssen untersucht werden.

Begrünung von Wüsten.

Könnten wir eines Tages die Wüsten der Welt aufforsten? Die Hypothese von Makarieva und Gorshkov legt nahe, dass wir es könnten. Im Gegensatz zu den meisten herkömmlichen Modellen implizieren die Berechnungen von Makarieva und Gorshkov, dass die biotische Pumpe stark genug wäre, um sie zu bewässern, sobald Wälder in diesen Regionen entstanden sind. Trotz des Umfangs und der unvermeidlichen technischen und ethischen Herausforderungen können solche Projekte mit steigender Kohlendioxidkonzentration leichter finanziert und umgesetzt werden (Brovkin 2002).

Ausblick

Wenn sich die Hypothese von Makarieva und Gorshkov als gültig erweist, bleiben wichtige Fragen offen, wie der biotische Pumpmechanismus mit anderen Prozessen interagiert, um ein umfassenderes Bild des lokalen, regionalen und globalen Klimas zu erhalten. Wenn sich die Hypothese als fehlerhaft erweist, wird noch ein Mechanismus benötigt, um nasse kontinentale Innenräume zu erklären.

Die Akzeptanz der biotischen Pumpe würde zu den Werten beitragen, die die Gesellschaft der Waldbedeckung beimisst. Die Akzeptanz der biotischen Pumpe von Makarieva und Gorshkov weckt regionale Bedenken hinsichtlich des Wassers und erfordert die Aufmerksamkeit verschiedener lokaler Akteure, darunter viele, die sich ansonsten wenig um die Erhaltung der Waldbedeckung kümmern.

Danksagung

Wir danken Anastassia Makarieva, Victor Gorshkov, Antonio Nobre, Ian Calder, Meine van Noordwijk, Wolfgang Cramer und drei anonymen Rezensenten für wertvolle Kommentare. Wir danken auch Claire Miller und Miriam van Heist für redaktionelle Vorschläge und der CIFOR-Bibliothek und der Wageningen-Bibliothek für die Suche nach Referenzen. D. S. wurde durch ein Stipendium der Europäischen Kommission für das Center for International Forestry Research und durch die Wildlife Conservation Society für das Institute of Tropical Forest Conservation unterstützt.

Zitierte Quellen

Anmerkungen des Autors