Pflanzenvielfalt von Wäldern aus der Luft abbilden

Produktivität und Stabilität von Waldökosystemen hängen stark von der funktionalen Vielfalt der Pflanzengemeinschaften ab. UZH-Forschenden gelang es, die Pflanzenvielfalt von Wäldern durch Fernerkundung mit Flugzeugen in verschiedenen Massstäben zu messen und zu kartieren – von einzelnen Bäumen bis hin zu ganzen Artengemeinschaften. Die neue Methode ebnet den Weg, um zukünftig die globale Pflanzendiversität aus der Luft und aus dem All zu überwachen.

Pflanzenvielfalt von Wäldern
Durch die raueren Umweltbedingungen ist die Pflanzenvielfalt entlang des Berggrats geringer (blau/violett) und in tieferen Lagen vielfältiger (gelb/orange). (Bild: UZH)

Ökologische Studien zeigen, dass die Pflanzenvielfalt zentral ist für das Funktionieren von Ökosystemen. Wälder mit einer höheren funktionalen Vielfalt – verschiedene Pflanzenarten übernehmen in einem Ökosystem unterschiedliche Funktionen – sind in der Regel über lange Zeiträume ertragreicher und stabiler als weniger artenreiche Wälder. Zudem nutzen vielfältige Pflanzengemeinschaften die Ressourcen stärker und effizienter. Solche Ökosysteme sind produktiver und stabiler und bewältigen Umweltveränderungen besser – eine Art «Versicherungseffekt» der Biodiversität. Sie sind auch weniger anfällig gegenüber Krankheiten, Insektenbefall, Feuer und Stürmen.

Ganze Waldökosysteme aus der Luft untersuchen

Die funktionale Vielfalt von Pflanzen lässt sich direkt messen, indem ausgewählte morphologische und physiologische Merkmale eines Waldes aus der Luft bestimmt werden. Früher waren dazu sehr arbeitsintensive Feldarbeiten am Boden erforderlich. Diese beschränkten sich daher auf wenige messbare Merkmale grösserer Parzellen bzw. auf viele Merkmale von sehr kleinen Parzellen oder einzelnen Bäumen. Forschende der UZH und des California Institute of Technology / NASA Jet Propulsion Laboratory haben nun eine neue Methode entwickelt, um die Vielfalt von Wäldern mittels Fernerkundung von kleinen bis zu grossen Massstäben abzubilden. Das Verfahren funktioniert unabhängig von zuvor ermittelten Vegetationseinheiten oder Arteninformationen, und ohne die Messwerte mit jenen am Boden abgleichen zu müssen.

Getestet wurde das Verfahren auf dem Gebiet der Lägern, ein gemässigtes Mischwald-Ökosystem in der Nähe von Zürich, Schweiz. «Mit Fernerkundung haben wir die einzigartige Möglichkeit ganze Waldökosysteme zu untersuchen. Indem wir von oben auf die Blätter der Baumkronen blicken, können wir ihre funktionalen Merkmale kontinuierlich über sehr grosse Flächen kartieren», sagt Michael Schaepman, Professor für Fernerkundung am Geografischen Institut.

Funktionale Merkmale zeigen Aktivität und Gesundheit der Bäume

Mit Hilfe eines Lasers tasteten die Wissenschaftler aus der Luft morphologische Merkmale des Waldes wie die Höhe der Baumkronen, die Laub- und Astdichte ab. Diese Messungen zeigen, wie das Sonnenlicht von der Architektur der Baumkronen aufgenommen werden kann, um Kohlendioxid aus der Luft in organischen Kohlenstoff umzuwandeln und für das Wachstum zu nutzen. Ist die Struktur eines Baumkronendachs vielfältiger, verteilt sich das Licht besser zwischen den vertikalen Schichten und den einzelnen Baumkronen, was eine effizientere Ausnutzung des gesamten Lichteinfalls ermöglicht. Weiter analysierten die Wissenschaftler mit einem Spektrometer von einem Flugzeug aus auch biochemische Merkmale des Waldes. Aus der Art, wie Blätter das Licht in diversen Wellenlängen reflektieren, lassen sich physiologische Eigenschaften der Blätter wie der Gehalt an Pigmenten (Chlorophylle, Carotinoide) und an Wasser ableiten. «Diese physiologischen Merkmale geben Aufschluss über Aktivität und Gesundheitszustand der Bäume. Wir sehen etwa, ob ein Baum unter Wasserstress leidet, wie dieser reagiert oder sich an die Umwelt anpasst», ergänzt Schaepman.

Diversitätsmuster stimmen mit Topografie und Boden überein

Zur Validierung ihrer Methode verglichen die Forschenden ihre Ergebnisse mit Feldmessungen an einzelnen Blättern, mit Bestandesdaten sowie mit Werten aus Datenbanken, die funktionale Merkmale enthalten. Mit Hilfe von Computermodellen konnten sie die Diversitätsmuster der morphologischen und physiologischen Merkmale in diversen Massstäben bestimmen – von der lokalen Vielfalt zwischen einzelnen Bäumen bis hin zu grossflächigen Mustern von ganzen Pflanzengemeinschaften. Das Team fand eine grosse Übereinstimmung der gemessenen Diversitätsmuster mit Umweltfaktoren wie Bodeneigenschaften und Topografie. So zeigte sich etwa eine geringere Diversität unter den raueren Umweltbedingungen entlang des Berggrats, wo sich die Bäume an die trockenen, steilen, flachen und felsigen Böden angepasst haben.

Potenzial zur Messung aus dem Weltraum

«Dank Fernerkundung können wir nun die Vielfalt von Wäldern messen und überwachen, so dass wir Veränderungen im grossen Massstab beobachten und räumliche Informationen für Naturschutz- und Klimaschutzstrategien bereitstellen können», betont Michael Schaepman. Da die Methodik nur durch die Verfügbarkeit fortschrittlicher Sensoren begrenzt ist, ebnet diese Arbeit den Weg für zukünftige Flug- und Satellitenmissionen zur Überwachung der globalen Pflanzenvielfalt aus der Luft und aus dem Weltraum.

Literatur:

Fabian D. Schneider, Felix Morsdorf, Bernhard Schmid, Owen L. Petchey, Andreas Hueni, David S. Schimel, Michael E. Schaepman. Mapping functional diversity from remotely sensed morphological and physiological forest traits. Nature Communications. 13 November 2017. DOI: 10.1038/s41467-017-01530-3

Integrierte UZH-Initiative zu Globalem Wandel und Biodiversität

Die Messung der Funktionsvielfalt mittels Flug- oder Satellitenmissionen ist Teil einer grösseren Initiative der Universität Zürich zur Förderung der Biodiversitätsforschung. Zu den jüngsten Beiträgen gehören Forschungsarbeiten über das Artensterben durch den raschen Klimawandel (Guimarães et al., Nature), Biodiversität und Schutz vor Trockenheit (O'Brien et al., Nature Ecology & Evolution), vielfältige Landschaften und erhöhte Produktivität (Oehri et al., PNAS) sowie deren Verbindungen zur Politik (bioDISCOVERY), zur Öffentlichkeit (Biodiversität heisst Leben!) und zu Medien (Urwälder werden „geröngt“, SRF/Einstein). Diese Bestrebungen sind integriert im Universitären Forschungsschwerpunkt «Globaler Wandel und Biodiversität» der UZH.