Aufwärts in kühle Höhen: Wie der Klimawandel die Vegetationszonen verschiebt

Die Hochalpen sind ein extremer Lebensraum. Von den gut 150.000 km² Alpenfläche liegen etwas mehr als 21 Prozent über der Baumgrenze, also im Hochgebirge. Hier unterscheidet man die alpine und die nivale Stufe. In der alpinen Stufe dominiert eine geschlossene Rasenvegetation, die in der subnivalen Übergangszone in eine offene Krautflur übergeht, wo die sogenannten Kältepflanzen ihren Verbreitungsschwerpunkt haben. In der nivalen Stufe sind geeignete Habitate für Blütenpflanzen sehr rar und nur in sonnenexponierten und stabilen Gunstlagen zu finden. Rekordhalter in den Westalpen ist der Purpur-Steinbrech bei 4.507 Metern Höhe am Dom und in den Ostalpen der Gletscher-Hahnenfuß bei 3.780 m am Großglockner.

Der bestimmende ökologische Faktor im Hochgebirge sind die tiefen Temperaturen, die nur eine kurze Wachstumsperiode erlauben. Baumwuchs endet in Höhenlagen, wo die Mitteltemperatur der Wachstumsperiode 6-7°C unterschreitet. Steigen wir den Hang weiter hinauf, wird es für hochwachsende Gehölze zu kalt. Im Gegensatz zu Bäumen und Sträuchern sind die Pflanzen der alpinen Stufe stets niedrigwüchsig. Dadurch können sie an sonnigen Sommertagen die starke Erwärmung der Oberfläche nutzen und leben so in einem günstigeren Mikroklima als die Äste der Bäume im Bergwald. Darüber hinaus sind typische alpine Pflanzen sehr lichtbedürftig, an nährstoffarme Verhältnisse angepasst und recht langsam wachsend.

Die meisten Arten der Gattung Steinbrech wachsen weit oberhalb der Waldstufe in offenen alpinen Fluren – ganz charakteristisch ist dieser Furchen-Steinbrech in einer Felsspalte am Schrankogel in den Stubaier Alpen.

Alpenpflanzen sind nicht überall

Das Hochgebirge erstreckt sich zwar über den gesamten Alpenbogen, ist aber häufig unterbrochen und nimmt insgesamt nur eine Fläche kaum größer als Belgien ein. In Europa sind lediglich drei Prozent der Gesamtfläche von alpinen Habitaten bedeckt – und der größte Teil davon entfällt auf die Berge Skandinaviens. Die Verbreitungsgebiete alpiner Pflanzenarten sind deshalb fast immer viel kleiner als die Areale der Tieflandpflanzen. Viele Alpenpflanzen sind Endemiten, also Arten, deren Vorkommen auf ein bestimmtes Gebiet beschränkt ist. Endemiten treten gehäuft in den randlichen Bergketten der Alpen auf, die eiszeitlich nicht von Gletschern bedeckt waren.

Wir haben es also im Hochgebirge mit einer recht speziellen Pflanzenwelt zu tun. Trotz des kalten Klimas ist diese besonders artenreich. In den drei Prozent Hochgebirgsanteil in Europa haben ungefähr 20 Prozent der natürlich vorkommenden Arten des Kontinents ihren Schwerpunkt. Die außerordentliche Artenvielfalt erklärt sich aus dem räumlichen Nebeneinander unterschiedlich warmer Höhenstufen und durch die reich gegliederte Topografie, die viele unterschiedliche Mikrohabitate ermöglicht. Einen großen Anteil der europäischen Gebirgsarten machen die besagten Endemiten der Alpen und der vielen kleinräumigeren mediterranen Gebirge aus, in denen durch die starke Isolation eigenständige Floren entstanden sind.

Die Alpen als Klimarefugium?

Während in den umgebenden Tiefländern und in den großen Alpentälern fast alle Flächen vom Menschen in monotone Landschaften verwandelt wurden, sind die Alpen durch die schwierigere Erschließbarkeit und das kältere Klima in einer vergleichsweise günstigeren Situation, was die Unversehrtheit der Biosphäre betrifft. Auch hinsichtlich der Klimakrise ist die Lage möglicherweise vorteilhafter, weil Pflanzen hier viel rascher in nahegelegene kühlere Refugien ausweichen können. Gebirge sind also ein ganz entscheidender Rückzugsraum der Biosphäre in der von ungebrochener Nutzungsintensivierung betroffenen Landschaft Mitteleuropas.

Das heißt allerdings nicht, dass die Ökosysteme und die Arten der Alpen deshalb gut gegen Klimawandelfolgen abgepuffert sind. Gerade weil hier (noch) viele spezielle Arten vorkommen, kann auch vieles unwiederbringlich verlorengehen. Der zunehmend benötige kalte Rückzugsraum ist besonders in den niedrigeren und zugleich endemitenreichen Randalpen nur sehr eingeschränkt vorhanden.

Diese Hochlagenvariante des Bayrischen Enzians wächst in felsigen und schuttreichen Habitaten noch weit oberhalb von 3.000 Metern, wo der Konkurrenzdruck durch Nachbarpflanzen gering ist.

In den hohen Zentralalpen wiederum sind die Ausweichmöglichkeiten für die Kältepflanzen wegen des fehlenden Substrats ebenfalls begrenzt. Des Weiteren hängt eine erfolgreiche Neuetablierung von einer Vielzahl von Faktoren ab, etwa von der jeweiligen Temperatur-, Schnee- und Feuchtigkeitssituation, den Ausbreitungsfähigkeiten und dem Wachstumsverhalten der Arten. Professor Stefan Dullinger an der Universität Wien, der auf die Modellierung zukünftiger Pflanzenverbreitung spezialisiert ist, geht von erheblichen Verzögerungen der Anpassungsreaktionen alpiner Arten aus. Das impliziert auch artspezifisch unterschiedliche Geschwindigkeiten der Ausbreitung und Etablierung, wodurch langsamere Kältepflanzen von den Neuankömmlingen verdrängt werden können.

Es ist hier also keineswegs Entwarnung vor der Biodiversitätskrise im Hochgebirge angezeigt. Vielmehr gilt es genau hinzuschauen, um das Ausmaß und die Geschwindigkeit von Biodiversitätsveränderungen feststellen zu können.

Ein Füllhorn historischer Daten

In keinem anderen Gebirge der Erde gibt es eine so lange Tradition der Untersuchung von Gebirgsökosystemen, insbesondere der Pflanzenvorkommen, wie in den Alpen. Einer der Ersten war der schweizerische Naturforscher Oswald Heer, der im Jahr 1835 die Gipfelzone des 3.410 m hohen Piz Linard in der Silvretta kartierte. Er fand am Gipfel nur eine Art, den Alpen-Mannschild, sowie 60 Höhenmeter weiter unten den Gletscher-Hahnenfuß.

Bis zur Mitte des 20. Jahrhunderts folgten viele botanische Gipfelkartierungen in den Alpen, die ab den 1990er Jahren im Kontext des Klimawandels wieder Aktualität erlangten. Georg Grabherr, damals Vegetationsökologie- und Naturschutzprofessor an der Universität Wien, erkannte den Wert dieser Daten, und unter seiner Leitung wurden Neuaufnahmen der alten Erhebungen durchgeführt.

Bereits 1992/93 zeigte sich dabei ein sehr deutlicher Anstieg der Zahl der Pflanzenarten. Dieser Befund erweckte international sowohl in der Wissenschaft als auch in der Öffentlichkeit überaus starkes Interesse und gab 1994 den Anstoß für die Einrichtung der ökologischen Monitoringstation Schrankogel in den Hochlagen der Stubaier Alpen. Hier begann die Methodenentwicklung für ein internationales Beobachtungsprogramm der alpinen Vegetation im Kontext des Klimawandels.

Botanische Kartierungsarbeit auf einem GLORIA-Gipfel am Hochschwab.

Mit EU-Forschungsmitteln gelang dann ab 2001 die europäische Umsetzung dieses Programms, dessen Kurzbezeichnung GLORIA für GLobal Observation Research Initiative in Alpine Environments steht. Mittlerweile ist aus der in den Alpen begründeten Initiative tatsächlich ein auf allen Kontinenten aktives Forschungs- und Beobachtungsnetzwerk entstanden. Parallel zur Entstehung des GLORIA-Netzwerks konnten die Datensätze historischer Gipfelerhebungen massiv aufgestockt werden.

Maßgeblich auf Betreiben von Sonja Wipf, mittlerweile Forschungsleiterin im Schweizerischen Nationalpark, wurden dabei auch unveröffentlichte Quellen für die Alpen und andere europäische Gebirge erfasst. Schließlich gibt es gerade aus den Alpen viele alte Untersuchungen der Vegetationszusammensetzung, anhand derer Botaniker vor über 50 oder sogar 100 Jahren die alpinen Pflanzengesellschaften beschrieben haben.

Wärmestress und Höhersteigen in schwindende Kühle

Zu den am besten belegten ökologischen Effekten des Klimawandels zählt die Zunahme von Pflanzenarten auf alpinen und subnivalen Gipfeln. Am Piz Linard zum Beispiel stieg die Artenzahl am Gipfel von einer Art im Jahr 1835 – dem oben erwähnten Alpen-Mannsschild – auf 16 Arten im Jahr 2013 an.

Eine gemeinsame Analyse aller Felddaten der historischen und der GLORIA-Gipfel ergab ein europaweit konsistentes Bild. Ob Pyrenäen, Westalpen, Ostalpen, Karpaten oder die Berge Nordeuropas, stets zeigte sich eine sehr auffallende Übereinstimmung von Artenzahlanstieg und Temperaturzunahme. Das war ein eindrücklicher Nachweis einer bereits großräumig ablaufenden und sich beschleunigenden Verschiebung der Arten.

Der steile Anstieg der Artenkurve ist jedoch keineswegs eine gute Nachricht, sondern Kennzeichen einer Umverteilung, die in weiterer Folge zum Verschwinden alpiner Ökosysteme führt. In der Vegetationsökologie wird diese Entwicklung, bei der kälteadaptierte Arten zusehends verschwinden und den höherwüchsigen wärmebedürftigeren Arten Platz machen, Thermophilisierung genannt. Genau diese gerichtete Entwicklung ist sowohl europaweit als auch für die Hochalpen anhand der GLORIA-Flächen mehrfach bestätigt worden.

Eine Vergleichsstudie mit über 1.500 alten und neuen Vegetationsaufnahmen, verteilt über die Ostalpen, ermöglichte darüber hinaus die Erfassung der gesamten Höhenverbreitungvon 183 Pflanzenarten. Damit konnten Sabine Rumpf und ihre Kolleg*innen erstmals zeigen, dass die Untergrenzen der Arten mindestens ebenso schnell emporstiegen wie die oberen Grenzen. Beim kegelförmigen Aufbau der meisten Bergmassive in den Alpen führt das dazu, dass die Arten nicht höher steigen können, wenn der Berg »zu Ende ist«: Sie sterben an diesem Berg aus, die Artenvielfalt nimmt ab.

Der Alpen-Mannsschild (Androsace alpina) ist ein Kältespezialist, der bereits bei 3.000 Metern unter zu großer Sommerwärme leidet.

Auch an dem seit 1994 gut untersuchten Schrankogel (3.497 m) in den Stubaier Alpen ist die Artenzahl in Höhen zwischen 2.900 und 3.450 m angestiegen. Gleichzeitig kam es allerdings zu einem leichten, aber signifikanten Rückgang der Vegetationsbedeckung. Dieser war auf das fortschreitende Absterben aller fünf Arten der subnivalen Kältepflanzen zurückzuführen, das offenbar stärker war als der Beitrag der expandierenden Arten. Die Kältespezialisten scheinen direkt von höheren Temperaturen beeinträchtigt zu sein. Experimente an zweien dieser Arten zeigten, dass diese in warmer Umgebung allzu rasch ihre Kohlenhydratreserven veratmen. Dadurch kommt es zu einer Schwächung und zusehends zum Verschwinden der Pflanzen. Die meisten der alpinen Arten wachsen hingegen auch in botanischen Gärten gut, sofern sie nicht von anderen Pflanzen überschattet werden.

Landnutzung: Treiber der Monotonisierung

Die menschengemachte Klimakrise ist nicht der einzige großräumig wirkende Faktor, der den alpinen Pflanzen zu schaffen macht. Ein weiterer kommt sehr wahrscheinlich von anthropogenen Nährstoffeinträgen über die Atmosphäre. Vergleichsuntersuchungen auf den alpinen GLORIA-Gipfeln, im Wald-Unterwuchs sowie in artenreichen Wiesen des Tieflands zeigten ganz ähnliche Trends des Florenwandels. In allen drei Lebensraumtypen gehörten gerade die Arten mit kleinem Verbreitungsareal zu den Verlierern, während die neu hinzukommenden weit verbreitet waren. Bei genauerer Analyse erwiesen sich diese neu etablierten Arten überwiegend als stickstoffliebende Allerweltsarten.

Wir haben es also mit einer Dynamik zu tun, die einer Homogenisierung der Biosphäre Vorschub leistet und sogar in naturnahen Landschaften– die Untersuchungsflächen lagen in Naturschutzgebieten– zu einer raschen Monotonisierung führt. Offenbar sind Schutzgebiete im mittleren Teil Europas bei Weitem zu kleinräumig und fragmentiert, um Schadstoffeinträge, insbesondere aus der Landwirtschaft, abpuffern zu können. Das scheint selbst in alpinen Höhen der Alpen ein Thema zu sein. Im Gebirge ist allerdings von einem Zusammenwirken von höheren Temperaturen, die eine bessere Nährstoffverfügbarkeit ermöglichen, und anthropogenen Stickstoffdepositionen auszugehen, wobei alpine Ökosysteme eben besonders sensibel auf Nährstoffeinträge reagieren.

Wenn wir die großen Fallgruben des Anthropozäns umgehen wollen, wird eine grundlegende Transformation der Energiewirtschaft und der Agrarindustrie ebenso notwendig sein wie der großflächige Fortbestand unversehrter Ökosysteme. Der Alpenraum hat dafür ein enormes Potenzial, sofern er nicht zu sehr den wachsenden menschlichen Begehrlichkeiten zum Opfer fällt. Ein zunehmend heiß-trockenes Klima kann Siedlungsräume, Tourismus- und Landwirtschaft nach oben treiben. Verstärkte Düngeeffekte und Überbeweidung sowie Energieproduktion aus Wasser-, Wind- und Sonnenkraft können zu einer beschleunigten Zerstörung alpiner Habitate führen. Es liegt aber noch in der Hand der Menschen, das selbstproduzierte Jahrmillionen-Rekordhoch der Treibhausgaskonzentration auf ein zukunftsfähiges Maß zu reduzieren.