Klimatische Bedingungen und Landnutzung haben einen wesentlichen Einfluss auf Lebensräume, Artenvielfalt und Ökosystemleistungen. Die Umwandlung naturnaher Lebensräume in Agrar- oder Siedlungsflächen verändert das Arteninventar, die Bereitstellung von Ökosystemleistungen und das Anpassungspotential von Ökosystemen an veränderte klimatische Bedingungen. Auf lokaler Ebene besteht oft ein positiver Zusammenhang zwischen Biodiversität und Ökosystemfunktionen. Bisher fehlen jedoch Untersuchungen zu den Fragen (1) wie klimatische Gradienten und die Zusammensetzung und Konfiguration von Landschaftsräumen die Artenvielfalt und die Bereitstellung von Ökosystemleistungen beeinflussen, (2) welche Wechselwirkungen zwischen den klimatischen Rahmenbedingungen und der Landnutzung bestehen, und (3) ob Biodiversität auf Populations-, Artengemeinschafts- und Landschaftsebene die Resilienz gegenüber Klimawandel und klimatischen Extremereignissen verbessert. Der Verbund LandKlif untersucht die Biodiversität und Multifunktionalität naturnaher, agrarischer und urbaner Landschaftsräume in unterschiedlichen Klimazonen Bayerns, um diese Fragen zu beantworten und Optionen zur Abmilderung des Klimawandels sowie zur Anpassung an veränderte klimatische Verhältnisse aufzuzeigen. Die drei Landschaftstypen unterscheiden sich grundlegend in dem Grad des anthropogenen Einflusses, der Biodiversität und den Ökosystemleistungen, die sie für die Gesellschaft bereitstellen. Ein besseres Verständnis der Wechselwirkungen zwischen Landschaftsform, regionalem Klimawandel und den Reaktionen von Ökosystemen ist eine wichtige Grundlage für die Entwicklung von Strategien zur Minderung des Klimawandels und zur regionalen Anpassung an seine Folgen.

Im Verbund LandKlif werden insgesamt 60 repräsentative naturnahe, agrarische und urbane Landschaftsräume ausgewählt, die Temperatur-, Niederschlags- und Höhengradienten in Bayern von trocken-warmen Regionen in Unterfranken bis in die Hochlagen der Nationalparks Bayerischer Wald und Berchtesgaden abdecken. In fünf Klimazonen werden jeweils vier Landschaftsräume ausgewählt, die einen Gradienten in der Habitatvielfalt abbilden, so dass insgesamt 20 Untersuchungsgebiete je Landschaftstyp bearbeitet werden. Für jeden Landschaftsraum werden vorhandene Datengrundlagen genutzt und neue beobachtende und experimentelle Daten erhoben.

Die zehn Teilprojekte (TP) übernehmen jeweils komplementäre Aufgaben zur Untersuchung von Landnutzung, Klima, Biodiversität und Ökosystemleistungen. Die Ableitung regionaler, landschaftsbasierter Handlungsstrategien zum Klimaschutz, zum Naturschutz und zum Erhalt von Ökosystemleistungen sollen die ökologische, ökonomische und gesellschaftliche Resilienz Bayerns gegenüber dem Klimawandel verbessern.

Seit dem Startschuss des Projektes LandKlif sind zwei Jahre vergangen und viel hat sich seither getan.

Gleich zu Beginn des ersten Projektjahres 2019 wurde ein großflächiger Freilandversuch angelegt, der sich von Süd nach Nord und Ost nach West über ganz Bayern erstreckte, mit 60 Regionen (Abb 1) und 179 Untersuchungsflächen. Unser Design war darauf ausgelegt, den Einfluss von Klima und Landnutzung auf Biodiversität und ökologische Funktionen unabhängig voneinander zu untersuchen. Auf den Untersuchungsflächen (Abb 2 + 3) in Wäldern, Grünland, Äckern und Siedlungen erhob ein Team aus 12 NachwuchswissenschaftlerInnen und vielen Helfern zahlreiche Daten zur Biodiversität und ökologische Leistungen. Dazu gehörte die Erfassung von Pflanzen, fliegenden und krabbelnden Insekten sowie Wildtieren, mikrobielle Untersuchungen des Bodens, Drohnenüberfliegungen, Experimente zur Messung der Bestäubungsleistung, der natürlichen Schädlingsbekämpfung und von Zersetzungsprozessen und vieles mehr. Die Arbeit im Freiland war schweißtreibend und hart, doch es hat sich gelohnt. Zusammen mit einer Reihe von Labor- und Klimakammerversuchen ist ein einzigartiger Datensatz entstanden, der uns neue Einblicke in die Auswirkungen von Klima und Landnutzung auf unsere bayerischen Ökosysteme liefert.

Die Zusammenhänge kommen erst durch die statistischen Auswertungen ans Licht, die mit dem zweiten Projektjahr 2020 begannen. Und obwohl das Jahr uns vor viele Herausforderungen gestellt hat, war es überaus erfolgreich. Neben weiteren Experimenten und bayernweiten Umfragen verschiedener Interessensgruppen zum Thema „Auswirkungen des Klimawandels in Bayern“, gab ein digitaler LandKlif Statistik Workshop den NachwuchswissenschaftlerInnen die Gelegenheit, ihre gesammelten Daten mit professioneller Unterstützung auszuwerten. Dazu stand Dr. Bob Douma von der Wageningen University (Niederlande) mit Rat und Tat zur Seite. Erste Ergebnisse der Forschung und des gemeinsamen Statistik Workshops können Sie in der LandKlif Weihnachtspost 2020 nachlesen. Auch die Wissenskommunikation wurde vorangetrieben. Das Projekt LandKlif wurde bereits auf verschiedenen Konferenzen und in öffentlichen Vorträgen vorgestellt.

Untersuchungsregionen und Untersuchungsflächen in Siedlungen und Rapsfeldern.

Mehr spannende Forschung und neue Erkenntnisse werden im dritten Projektjahr 2021 erwartet. Im Frühjahr beschäftigen wir uns in einem zweiten Workshop vertieft mit dem „Publizieren“, einem Thema, das in Zukunft einen immer größeren Stellenwert einnehmen wird, wenn weitere wissenschaftliche Manuskripte zur Publikation vorbereitet und eingereicht werden. Auch Workshops für die breite Öffentlichkeit sind geplant.

Wir danken dem Klimaforschungsnetzwerk Bayklif für die großartige Unterstützung. Ein großes „Danke schön!“ auch an alle Landbesitzer und Behörden, die unsere Forschungsarbeit überhaupt möglich gemacht haben, und natürlich an das fantastische, internationale LandKlif Team für ihre unermüdliche Arbeit und ihren Wissensdrang, der das Projekt vorantreibt.

Das LandKlif Team

Impressionen aus der Feldforschung von Christina Ganuza, Cynthia Tobisch, Lars Uphus, Rebekka Riebl, Maria Haensel, Sandra Botero und Sarah Redlich.

Der Klimawandel und das vermehrte Auftreten klimatischer Extremereignisse gelten zusammen mit Landnutzungsänderungen als Hauptursachen für die Gefährdung von Insekten. Als Bestäuber und Gegenspieler von Pflanzen-fressenden Insekten sichern sie unverzichtbare ökologische Leistungen. Im Naturschutz sind Insekten aufgrund ihrer großen Artenvielfalt und vielfältigen Lebensweisen eine wichtige Zielgruppe. Es fehlen derzeit jedoch grundlegende Kenntnisse, welche Folgen die Klimaerwärmung in Bayern auf die Verbreitung, Artenvielfalt und Wechselbeziehungen von Insekten hat und wie intensive Landnutzung diese möglicherweise verstärkt.

Das Teilprojekt 1 erfasst die Artenvielfalt von Bienen, Wespen, Schwebfliegen und Käfern sowie die Ökosystemleistungen Bestäubung und Biologische Schädlingskontrolle im gemeinsamen Versuchsdesign des LandKlif-Verbundes in naturnahen, landwirtschaftlichen und urbanen Lebensräumen (Abb. 1 und 2). Zusätzlich werden Versetzungsexperimente und Simulationen klimatischer Extremereignisse durchgeführt, um das Anpassungspotential bzw. die Resilienz funktionell wichtiger Insektengruppen besser zu verstehen. Die Ergebnisse liefern die Handlungsgrundlage für ein nachhaltigeres Management der Bayerischen Ökosysteme und leisten so einen wichtigen Beitrag zum Erhalt der Insektendiversität und ihrer ökologischen Leistungen, im Kontext des Klimawandels.

Biomasse und Artenschwund werden vielerorts in Deutschland beobachtet. Standardisierte Aufnahmen über viele Lebensräume fehlen aber. Daher sollen zunächst Biomasse, taxonomische und funktionale Diversität von Arthropoden-Gemeinschaften an 240 Standorten in mikroklimatisch unterschiedlichen Habitaten im gesamten Klima- und Landschaftsgradienten Bayerns, vollständig mit Hilfe NGS-Sequencing erfasst werde, und dies durch eine gezielte Erfassung von Zersetzern an Dung, Aas und Holz ergänzt werden. Auf dieser Datenbasis wird der funktionale Reichtum der Gemeinschaften als Grundlage für Ökosystemleistungen, sowie invasive Arten und Rote Liste Arten als Grundlage für naturschutzfachliche Planungen bayernweit quantifiziert. Mit den Landnutzungsinformationen zum Habitat und der Landschaft, sowie den Makro- und Mikroklimatischen Bedingungen als Prädiktoren wird dann die die aktuelle Situation räumlich explizit modelliert und Vorhersagen auf Basis der ermittelten Klimaszenarien getroffen. In einem zweiten Schritt wird auf ausgewählten Flächen Trockenstress simuliert. Diese Freilandexperimente werden durch Klimakammerexperimente ergänzt.

Trotz unbestreitbarer Erfolge bei der Erhaltung und Pflege besonders hochwertiger Lebensräume konnte der sektorale, auf relativ kleine Schutzgebiete beschränkte Naturschutz die biologischen Verarmung der bayerischen Landschaften nicht aufhalten. Nicht zuletzt im Klimawandel werden normale Wälder, Waldränder, Hecken, Grünland, Ackerränder und städtisches Grün als Korridore und Pufferzonen für ökologische Dienstleistungen benötigt. Unser Teilprojekt untersucht die Vegetation dieser wenig beachteten Ökosysteme im Rahmen des Landklif-Designs im Hinblick auf ihre Empfindlichkeit gegenüber Erwärmung, Landnutzung und Urbanisierung und auf ihr Potential als Rückzugs-, Austausch- und Vernetzungsräume für Wildpflanzen und die davon abhängigen Lebensgemeinschaften. Daraus werden Empfehlungen für die gezielte Optimierung der grünen Infrastruktur durch Wald- und Landschaftspflege, Agrarumweltmaßnahmen und Grünflächengestaltung abgeleitet.

Grüne Infrastruktur in Städten hat eine große Bedeutung bei der Abschwächung negativer Folgen des Klimawandels, da sie die Durchschnittstemperaturen senkt und die Luftfeuchtigkeit erhöht. Weitere Ökosystemleistungen sind Wasserretention bei Starkregen, Verminderung von Erosion, Bindung von Kohlenstoff und Nährstoffen sowie eine Förderung der Biologischen Vielfalt. Zudem begünstigt grüne Infrastruktur die Erholung der Stadtbewohner. Wichtige Herausforderungen bei der Gestaltung solcher Grünflächen sind Resilienz gegenüber extremer Witterung, Resistenz gegen invasive Fremdarten und ein günstiges Kosten-Nutzen-Verhältnis.

Natürliche und neu zusammengestellte Pflanzengemeinschaften auf urbanen Grünflächen werden hinsichtlich ihrer Auswirkungen auf Ökosystemleistungen unter verschiedenen Klimabedingungen untersucht.

Bisher werden bei der Gestaltung der Siedlungsvegetation diese ökologischen Aspekte nicht ausreichend berücksichtigt. Ziel des Teilprojekts 4 ist deshalb, die Auswirkungen natürlicher und neu zusammengestellter Pflanzengemeinschaften auf die Ökosystemleistungen unter verschiedenen Klimabedingungen und in Interaktion mit invasiven Fremdarten auf urbanen Grünflächen zu untersuchen. Die Artengemeinschaften werden zusammengesetzt aus verschiedenen Gruppen einheimischer krautiger Arten. Die Ökosystemleistungen werden entlang eines Klimagradienten in 20 urbanen Landschaften Bayerns sowie in Versuchsgärten und Klimakammern nach Einbringen invasiver Arten bei variierender Temperatur und Trockenheit erfasst. Diese Analyse der Veränderung von Ökosystemleistungen trägt zu einem besseren Verständnis und einem angepassten Management urbaner Landschaften im Klimawandel bei. Ökonomische Vorteile der Ergebnisse des Teilprojekts sind reduzierte Kosten öffentlicher Siedlungsvegetation sowie eine bessere Anpassung bayerischer Gemeinden an den Klimawandel.

Der Klimawandel beeinflusst unsere Ökosysteme, gut zu erkennen an zeitlichen Verschiebungen von phänologischen Ereignissen in Flora und Fauna. Diese Änderungen wirken sich auf Fitness, Verbreitung von Arten sowie Produktivität von Ökosystemen aus, insbesondere wenn die bisherige zeitliche Abstimmung verloren geht. Aber phänologische Eintrittstermine und Änderungsraten variieren innerhalb von Individuen, Populationen, zwischen Provenienzen und Arten und in der Landschaft. Unsere Hypothese ist, dass diese inhärente Diversität negative Folgen des Klimawandels etwa durch Extremereignisse oder phänologischen Fehlsynchronisation puffern kann und diese gezielt durch Bewirtschaftung und Landschaftsplanung gefördert werden kann.

Während auf der Einzelbaumebene Veränderungen relativ gut beschrieben sind, fehlt es an einer Integration auf der Landschaftsebene, um die sich ergebenden Klimafolgen für die Tierwelt, etwa über veränderte zeitliche Synchronisation von Interaktionspartnern oder Änderungen im jahreszeitlichen Nahrungsangebot, abzuschätzen. Es werden deshalb phänologische Änderungen für unterschiedliche Landschaften skalenübergreifend mit verschiedenen, v.a. bildgebenden Methoden erfasst, die Variabilität in Eintrittsterminen erklärt, und Auswirkungen auf das Risiko von Synchronität-getriebenen Ökosystemprozessen und -dienstleistungen, wie Spätfrostgefährdung, untersucht. Weiterhin wird die Populationsdynamik und -zustand von Reh- und Schwarzwild erfasst und treibende Faktoren, wie Witterung bzw. Klimawandel, erwärmungsbedingte phänologische Änderungen, Landnutzung, identifiziert, um konkrete Maßnahmen für das praktische Wildtiermanagement abzuleiten.

Damit steht zum ersten Mal die systematische Erfassung von phänologischen Änderungen und ihrer Folgen auf der individuellen bis zur Landschaftsebene in Kombination von Flora und Fauna im Mittelpunkt der Forschung zur Anpassung an den Klimawandel.

Die Toleranz bzw. Anpassungsfähigkeit von Lebensgemeinschaften gegenüber Klimawandel wird von drei Prozessen abhängen: (i) der Toleranz einzelner Arten (eigentlich sogar einzelner Individuen) gegenüber Klimaänderungen und klimatischen Extremereignisse, (ii) der genetischen Vielfalt innerhalb einzelner Arten bzw. (Meta-)Populationen und damit deren Anpassungspotential und schließlich (iii) der Etablierung neuer, besser angepasster Arten. Aus wissenschaftlicher wie praktischer Sich ist wichtig abzuschätzen, wie gut eine Anpassungsreaktion an unterschiedlichen Standorten gelinge wird und welche Managemenetoptionen gegebenenfalls zu Verfügung stehen, um negative Effekte – z.B. für bestimmte Ökosystemleistungen wie Bestäubung – abzumildern.

Durch Einsatz von Computersimulationen wollen wir in diesem Projekt vor allem verstehen (i) welche Bedeutung der Landschaftskontext für die lokale/regionale Anpassungsfähigkeit spielt, (ii) welche Landschaftselemente für eine Anpassung besonders wichtig sind (z.B. bereits heute besonders warme Sonderstandorte wie urbane Siedlungsgebiete) und welche besonders gefährdet sind (z.B. besonders homogene Agrarlandschaften), und (iii) welche Management-maßnahmen eventuell helfen könne, negative Effekte von Klimawandel auf Ökosystemleistungen zu reduzieren

Die Fernerkundung ermöglicht, unsere Landschaften aus der Luft und aus dem Weltall zu erfassen. Beispielsweise lässt sich mit diesem Werkzeug die Landbedeckung – Wald, Wiesen, Äcker und Siedlungen – im Raum und über die Zeit beobachten. Aus den Daten lassen sich Vegetationsindizes (z.B. der NDVI, ein Maß für die Vegetationsdichte) und weitere Parameter (z.B. Ergrünungsbeginn) ableiten, die Aufschluss über den Zustand der verschiedenen Ökosysteme in der Landschaft geben.

Staffelsee und Murnauer Moos im Bayerischen Alpenvorland. A) RapidEye-Satellitendaten mit 5 m Auflösung B) Landbedeckung abgeleitet aus Fernerkundungsdaten (Corine Land Cover 2012) C) Vegetationsindex NDVI und D) Ergrünungsbeginn im Jahr 2011.

Dieses Teilprojekt im Projektverbund LandKlif zielt darauf ab, aus verschiedenen Satellitendaten hochgenaue Messreihen zu generieren, um in naturnahen, agrarischen und urbanen Landschaften Bayerns die Vegetationsentwicklung der letzten zwei Jahrzehnte zu messen. Durch den Vergleich von Extremsituationen mit dem klimatischen Normalzustand wird herausgearbeitet, welche Landschaftsteile anfällig bzw. widerstandsfähig für die zu erwarteten Klimaänderungen sind.

Vegetationsentwicklung im Jahr 2011 (in Grün) im Vergleich zur mittleren Entwicklung der Jahre 2001-2012 (in Schwarz) dargestellt an der Vegetationsdichte (NDVI). Aufgrund des kalten Winters mit einem Kaltluftvorstoß im Februar 2011 blieben die NDVI-Werte unterhalb des langjährigen Mittels. Ein mildes, sonnenscheinreiches Frühjahr führte zu einem Anstieg der Vegetationsdichte und einem schnelleren Ergrünen. Der Sommer 2011 war zu kühl und zu nass, so dass die Vegetation nicht ihre mittlere Vegetationsdichte erreichte. Der sonnenscheinreiche Oktober führte zu einem leicht später einsetzenden Herbst.

Ein weiterer Fokus des Teilprojekts liegt auf den Agrarlandschaften. Es geht um die Bestimmung von Ertragsniveaus, Anbaumustern und Landschaftsdiversität. Im Projektverbund werden die Ergebnisse gemeinsam genutzt, um schädliche Einflüsse auf die für Mensch und Natur in Bayern wichtigen Ökosystemleistungen – wie beispielsweise die Bereitstellung fruchtbarer Böden oder die Sicherstellung der Bestäubung und damit der landwirtschaftlichen Produktion – frühzeitig zu erkennen und standortbezogen Gegenmaßnahmen zu entwickeln.

Der regionale Wasserhaushalt wird im Wesentlichen von Vegetation, Boden, Gelände und der atmosphärischen Zirkulation bestimmt. Sowohl seine kurzfristige als auch seine klimabedingte langfristige Änderung sind nur mit Hilfe von aufwendigen numerischen Simulationen, die insbesondere kleinräumige Strukturen berücksichtigen, erfassbar. Eine derartige räumlich extrem hochaufglöste Simulation steht im Fokus des Teilprojekts 8. Drei aufeinander sorgfältig abgestimmte und miteinander verbundene Computermodelle für die Atmosphäre, die Landoberfläche und den Boden werden weiterentwickelt, zu einem einzigen regionalen Erdsystemmodell zusammengefasst und in sehr hoher räumlicher Auflösung betrieben. Dies ermöglicht es globale Klimaszenarios dynamisch zu regionalisieren, indem alle hydrologisch relevanten Prozesse auf einer auf die Zielregion Bayern angepassten Zeit- und Raumskala simuliert werden.

Regionale Erdsystemmodellierung in LandKlif: Voll gekoppelte Simulation des atmosphärischen und terrestrischen Wasserhaushalts. 

Durch die hochaufgelöste Regionalisierung 1) einer langjährigen globalen Simulation der Vergangenheit, die der Validierung dient, sowie 2) einer globalen Szenariosimulation, die die erwartete Klimaänderung in der Zukunft beschreibt, entsteht für Bayern ein einzigartiger Datensatz für die Klimaentwicklung und den gesamten atmosphärischen und terrestrischen Wasserhaushalt, der eine zentrale Grundlage für die ökosystembezogene Klimaforschung im Verbundprojekt bildet.

Klimawandel hat maßgebliche Auswirkungen auf die Funktionalität von Öko-systemen und damit auch auf deren Leistungen, von denen sowohl die Wirtschaft als auch die Gesellschaft Bayerns profitieren. Ziel des TP9 ist es die Auswirkungen des Klimawandels unter gegebenen Landnutzungsveränderungen auf relevante Ökosystemleistungen ÖSL (Pflanzliche Agrarproduktion, Erosionsregulation, Hochwasserschutz, Kohlenstoffspeicherung) flächendeckend für ganz Bayern und für die im Projekt ausgewählten Landschaftsaus-schnitte zu modellieren. Da wir mit dem Soil and Water Assessment Tool (SWAT) ein integriertes Modell nutzen, ist es möglich die Auswirkungen der Klimaveränderung auf multiple ÖSL in Szenarien zu betrachten. Auch in Hinblick auf von anderen TPs untersuchten Ökosystemleistungen (Bestäubung, Schädlingsregulation, regionale Klimaregulation, Habitatbereitstellung, Erholungsfunktion etc.) werden wir zudem die ökosystemaren Folgen der Klimaveränderungen durch Bürger und bestimmte Berufsgruppen bewerten lassen. In einem Bayerischen Atlas der Ökosystemleistungen werden die Ergebnisse des Projektes in Hinblick auf Hotspots und Coldspots von individuellen Ökosystemleistungen, Synergien und Konflikte multipler Ökosystemleistungen, sowie deren Bewertung geographisch dargestellt und damit raumwirksam kommuniziert.

Der Klimawandel wirkt sich auf die Funktionen der Landschaft als Ganzes, insbesondere jedoch auf Zustand und Management von wertbestimmenden Arten und Lebensräume sowie die ökologischen Leistungen der Natur aus. TP10 untersucht, mit welchen planerischen Instrumenten Biotopverbund und grüne Infrastruktur in unterschiedlich intensiv genutzten Landschaften an den Klimawandel angepasst werden können.

In dem Teilprojekt wird untersucht, wie sich Aspekte der Landnutzung wie deren Verteilung, des Klimawandels und der Hemerobie auf Aspekte der Biodiversität auswirken und welche Rückschlüsse sich hinsichtlich planerischer Instrumente daraus ziehen lassen. Dabei ist die Normallandschaft wie hier bei München im Fokus der Untersuchungen.

Die Hemerobie hat einen ambivalenten Einfluss auf die Biodiversität. Im Umfeld von Ballungsräumen können unterschiedlich wertgebende Lebensräume wie hier in München entstehen.

Die in den Teilprojekten 2-10 gewonnenen Ergebnisse werden auf ihre planerische Umsetzbarkeit geprüft. Dabei wird abgeschätzt, welche Beiträge die vorhandenen Instrumente Landschafts- und Raumplanung, Ländliche Entwicklung, Agrarumweltmaßnahmen, ökologische Kompensation und Naturschutzmanagement zur notwendigen Anpassung leisten können. Unter Berücksichtigung unterschiedlicher Klimabedingungen, Landnutzungs-intensitäten und Urbanisierungsgrade werden differenzierte Vorschläge zu ihrer Verbesserung und Erweiterung in Bayerns Landschaften gemacht.

In der Normallandschaft ist der Zugriff des Naturschutzes auf die Lebensräume vergleichsweise begrenzt. Das Teilprojekt untersucht, welche Strategien sich hinsichtlich einer höheren Resilienz auch vor dem Hintergrund des Klimawandels für weit verbreitete (Landnutzungs-) Lebensräume etablieren lassen.