Unsere Methoden

In dieser Hightech-Gewächshausanlage werden die Reaktionen von Pflanzen und Bäumen auf Umweltveränderungen untersucht. Die experimentellen Ergebnisse verbessern das Prozessverständnis und liefern Input für die Weiterentwicklung von mathematischen Modellen. Die Forschungsanlage besteht aus vier einzelnen Kammern, in denen Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Strahlung und atmosphärische CO₂-Konzentrationen leicht manipuliert werden können. Wir haben zusätzliche Kammersysteme entwickelt, um den CO₂- und H₂O-Austausch zwischen Pflanzen und der Atmosphäre, einschließlich flüchtiger organischer Verbindungen, kontinuierlich zu messen. Unsere neueste Entwicklung ermöglicht es, die Nettokohlenstoffbilanz von Bäumen unter wechselnden Bedingungen (rechtes Bild), stressbedingte Kipppunkte sowie die Kohlenstoffverteilung mit Hilfe stabiler Isotopentechniken zu bestimmen. Diese Messungen werden durch andere Instrumente ergänzt, darunter ein Blatt-Gasaustauschsystem, ein ¹³C-Isotopenlaser, automatische Stammdendrometer, eine Druckkammer, Cavitations-Kameras, Thermographie, Bodenfeuchtigkeit sowie Laborgeräte zur Analyse von Kohlenhydraten oder Isotopen in Pflanzenproben.

Unser hochpräzises Tree Flux System ist eines der wenigen Systeme weltweit, das in der Lage ist, die Kohlenstoff- und Wasserflüsse im gesamten Baum, sowohl in den Trieben als auch in den Wurzeln, unter streng kontrollierten Umweltbedingungen zu quantifizieren. Dieses System liefert wichtige Daten über die Funktionsweise von Bäumen bei Stress und Erholung über verschiedene Arten und Klimaszenarien hinweg. Das Tree Flux System ermöglicht die unabhängige Messung des ober- und unterirdischen CO₂- und H₂O-Austauschs bei gleichzeitiger präziser Regulierung des CO₂-Gehalts, des Lichts, der Temperatur, der Feuchtigkeit und der Bodenfeuchte. Eine automatische Bewässerung unterstützt realistische Trockenversuche und optionale ¹³C-Tracer-Studien erweitern die experimentellen Möglichkeiten des Systems.

Mit dieser Plattform können wir physiologische Schwachstellen aufdecken und verfolgen, wie Bäume nach Hitze- oder Trockenstress ihr Kohlenstoff- und Wassergleichgewicht wiederherstellen. In Kombination mit ergänzenden Messungen, einschließlich nicht-struktureller Kohlenhydrate, des Wasserpotenzials und des hochaufgelösten Baumwachstums, konnten wir artenspezifische Schwellenwerte bei Hitze (Rehschuh et al. 2022), Dürre (Gattmann et al. 2021), Erholung nach Dürre (Knüver et al. 2025) und kombiniertem Hitze-Dürre-Stress unter erhöhtem CO₂ (Birami et al. 2020) aufdecken. Dieses verbesserte mechanistische Verständnis stärkt direkt unsere prozessbasierte Modellierungsarbeit.

Um die von Stadtbäumen in Städten wie Karlsruhe erbrachten Ökosystemleistungen zu bewerten, verwenden wir das Tree4C-Modell, ein physiologisch-orientiertes Baummodell, das auf der Grundlage der individuellen Baumstruktur (aus Baumbestandsaufnahmen), Umwelteinflüssen und Verschmutzungsdaten läuft. Das Modell befasst sich mit drei verschiedenen Ökosystemleistungen einzelner Bäume: Reinigung, Kühlung und Kohlenstoffspeicherung. Die Reinigung bezieht sich auf eine arten- und größenspezifische Berechnung der Ablagerung von Luftschadstoffen. Die Kühlung wird aus der Transpiration der Bäume und der Beschattung der Baumkronen abgeleitet. Die Kohlenstoffbindung durch Bäume basiert auf der photosynthetischen CO2-Aufnahme und dem Wachstum der Bäume. Das Modell wird derzeit weiterentwickelt, um schädliche Auswirkungen von Stress, insbesondere von Trockenheit, zu berücksichtigen, die zu Blattseneszenz und Baumsterben führen können. Ein herausragendes Merkmal ist, dass das Modell in der Lage ist, die Ökosystemleistungen eines großen Baumbestandes in Städten wie München oder Karlsruhe auf der Grundlage der morphologischen und physiologischen Merkmale einzelner Bäume zu quantifizieren.

Messergebnisse aus Feld und Gewächshaus werden für die Entwicklung oder Evaluierung von Modellen verwendet, die dann dazu dienen, die Auswirkungen der Umweltbedingungen auf die Baum- und Walddynamik zu analysieren. Um eine Brücke von den physiologischen Auswirkungen der Bäume zu den Waldökosystemen zu schlagen, verwenden wir LandscapeDNDC, ein Modellsystem, das Module unterschiedlicher Komplexität zur Beschreibung von Bodenzersetzungsprozessen, Wasserflüssen und Pflanzenprozessen umfasst. Wir konzentrieren uns auf das physiologisch orientierte Pflanzenmodul PSIM, um baum- oder ökosystembezogene Pools und Flüsse wie Photosynthese, Atmung, Kohlenstoff- und Stickstoffverteilung sowie Seneszenz darzustellen. Das Modell führt zu dynamischen Veränderungen von Pools (Blätter, Feinwurzeln, lebendes und totes Holz) und Dimensionen (Baumhöhe, Durchmesser, Kronengröße und Wurzeltiefe). Vor kurzem haben wir PSIM weiterentwickelt, um hydraulische Prozesse in Bäumen zu berücksichtigen. Insbesondere befassen wir uns mit der nicht-stomatären Begrenzung der Photosynthese (NSL), der Unterstützung der Transpiration durch interne Wasserspeicherung, sobald sich die Spaltöffnungen geschlossen haben, und dem Verlust von Xylem und Blattgewebe in Abhängigkeit vom Wasserpotenzial der Pflanze.

Mit jungen Wissenschaftlern das Wachstum von Bäumen verfolgen

Wie wachsen die Bäume im Laufe des Jahres? Und wie beeinflusst die Umwelt dieses Wachstum? Das sind Fragen, die wir mit Schülern in Garmisch-Partenkirchen untersuchen. 

In diesem Projekt unterstützen wir die Umwelterziehung, indem wir den Kindern zeigen, wie sich das Wachstum der Bäume im Laufe der Jahreszeiten verändert. Bäume in gemäßigten Klimazonen wachsen vor allem im Frühling und Sommer und machen im Herbst und Winter eine Pause. Verschiedene Arten reagieren auch unterschiedlich auf Wetter und Klima. Um dies zu beobachten, haben wir Messgeräte - Dendrobänder und Dendrometer - an Bäumen wie Fichte, Kiefer und Platane angebracht.

Die Kinder nehmen das ganze Jahr über selbst Messungen an den Dendrobändern vor, die wir später in Diagramme umsetzen, um sie mit den automatischen Dendrometern und den Umweltbedingungen zu vergleichen. Gemeinsam diskutieren wir, warum einige Bäume anders wachsen als andere.

Dieser praktische Ansatz führt die Kinder in die Waldökologie ein und hilft ihnen, die wichtige Rolle der Wälder in unserer Umwelt zu verstehen.