Einleitung

Quantifizierung der Kältewirkung

Eine grundlegende Voraussetzung für den erfolgreichen Anbau vieler Obst- und Nussbaumarten ist die Erfüllung des winterlichen Kältebedürfnisses (Saure 1985; Vegis 1961; Westwood 1993). Dieses Bedürfnis muss jeden Winter erfüllt werden, damit die Obstgehölze vollständig aus der Winterruhe erwachen und gleichmäßig blühen. Hierbei wird generell angenommen, dass der Blühzeitpunkt durch das sequenzielle Erfüllen kulturspezifischer Kälte- und Wärmebedürfnisse bestimmt wird (Abb.  1). Fehlende Kältewirkung kann bei den Obstgewächsen zu unregelmäßigem Blühablauf, verzögertem vegetativen Wachstum und letztlich zum Vergreisen der Gehölze führen (Abb.  2).

Abb. 1
figure 1

Konzeptuelle Darstellung der Kälte- und Wärmeakkumulation während der Winterruhe (sequenzielles Erfüllen des Kälte- und Wärmebedürfnisses bestimmt den Blühzeitpunkt)

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Abb. 2
figure 2

Auswirkungen der Nichterfüllung des Kältebedürfnisses bei einem Apfelbaum in der Versuchsstation des ICRISAT im Niger

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Die Auswirkungen niedriger Temperaturen auf die Dormanzbrechung werden schon seit mehr als zwei Jahrhunderten wissenschaftlich untersucht (Knight 1801), was zur Entwicklung einer Vielzahl von konzeptionellen Erklärungsversuchen geführt hat. Da die meisten dieser Theorien auf sehr begrenzten Datengrundlagen basieren und viele keine Erklärung für experimentelle Ergebnisse aus den letzten Jahrzehnten und Beobachtungen in verschiedenen Klimazonen liefern, verzichten wir hier auf eine erschöpfende Diskussion. Es sei aber auf zwei umfangreiche Literaturstudien zu diesem Thema verwiesen (Saure 1985; Vegis 1961).

In Deutschland war das Thema Kältewirkung lange von untergeordneter Bedeutung, da die relativ langen und kalten Winter jedes Jahr das Kältebedürfnis unserer Obstgehölze ausreichend erfüllten. Zudem werden hierzulande größtenteils Obstarten und -sorten angebaut, die seit Jahrhunderten in den gemäßigten Breiten beheimatet sind. In anderen Anbaugebieten der Welt ist die Erfüllung des Kältebedürfnisses weit weniger garantiert, und erheblicher Forschungsaufwand wurde betrieben, um Kältewirkung (engl. Chilling, auch im Deutschen häufig verwendet) und Kältebedürfnisse zu quantifizieren. Insbesondere in subtropischen Regionen wie Kalifornien und Israel war diese Forschung die Voraussetzung für den erfolgreichen Anbau von Obst- und Nussarten der gemäßigten Breiten. Der mathematischen Modellierung des Chillings kam hierbei stets besondere Bedeutung zu (Müller u. Braun 2008), was zur Entwicklung einer Vielzahl von Chilling-Modellen geführt hat (Tabelle  1). Generell lässt sich ein Zusammenhang zwischen der Ausgefeiltheit der mathematischen Modelle und der Genauigkeit der Quantifizierung der Kältewirkung feststellen.

Tabelle 1 Übersicht und Vergleich ausgewählter Kältewirkungs-Modelle hinsichtlich in Experimenten ermittelter Merkmale des Chilling-Akkumulationsprozesses
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Das erste brauchbare Modell ist das in den USA entwickelte Kältestunden-Modell, das Kältewirkung in Kältestunden (engl. Chilling Hours) quantifiziert (Bennett 1949; Weinberger 1950). In Kalifornien erlaubt das Klima generell den Anbau vieler Gehölzarten aus den gemäßigten und kühlen Klimaten, erfordert aber die Selektion geeigneter Pfirsich-, Pflaumen-, Walnuss- und Aprikosensorten unter Berücksichtigung der lokal verfügbaren Kältewirkung. Im Kältestunden-Modell wird Chilling durch die Anzahl der Stunden mit Temperaturen zwischen 0 und 7,2°C (45° Fahrenheit) ausgedrückt. Nach Westwood (1993) benötigen Apfelbäume mit 800–1700 h relativ viele, Süßkirschbäume mit 550–1300 h etwas weniger und Quittenbäume mit 100–500 h relativ wenige Kältestunden. In Kalifornien und vielen anderen Obstanbaugebieten war dieses Modell lange Zeit hinreichend, und auch in Deutschland wird meist mit diesem Modell gearbeitet.

Im Gegensatz dazu wurde in kontinentalen Klimaten mit relativ großen täglichen Temperaturschwankungen festgestellt, dass warme Wintertemperaturen negative Auswirkungen auf die Akkumulation von Chilling haben, und dass sich verschiedene Temperaturbereiche unterschiedlich stark auf die Kältewirkung auswirken. Aus diesen Erkenntnissen entstand das Utah-Modell (Richardson et  al. 1974), das in einigen Anbauregionen teilweise in leicht veränderten Versionen (z. B. als North-Carolina-Modell; Shaltout u. Unrath 1983) bis heute Verwendung findet. Obwohl das Utah-Modell inzwischen weiter verbessert wurde (Anderson u. Seeley 1992; Richardson et  al. 1986), ist seine Anwendbarkeit offenbar auf kontinentale Klimate beschränkt (Anderson u. Seeley 1992).

Das in Israel entwickelte Kälteportionen-Modell (auch als Dynamisches Modell bekannt) erscheint bisher am ausgereiftesten (Tabelle  1). Es basiert auf einem komplizierteren Konzept als vorangegangene Ansätze, die lediglich verschiedenen Temperaturbereichen variierende Gewichtungen zuwiesen. Im Kälteportionen-Modell wird angenommen, dass das Chilling in einem zweiphasigen Prozess angesammelt wird. Es entsteht zunächst in einem durch Kälteeinwirkung begünstigten Prozess eine Chilling-Vorstufe, die durch warme Temperaturen wieder abgebaut werden kann (Fishman et  al. 1987a, b). Moderate Temperaturen wandeln diese Vorstufe dann in einem irreversiblen Prozess in eine Kälteportion (engl. Chill Portion) um. Im Gegensatz zu seinen Vorläufern erklärt dieses Modell experimentelle Ergebnisse aus Israel (Tabelle  1), mit denen gezeigt wurde, dass Temperaturzyklen unterschiedlicher Frequenz sich verschieden auf die Kälteakkumulation auswirkten, und dass auf niedrige Temperaturen folgende moderate Temperaturen die Ansammlung von Kälteportionen beschleunigen (Erez et  al. 1979a, b).

Der Vollständigkeit halber sei hier auch auf Chilling-Modelle hingewiesen, die vornehmlich in ökologischen und forstwissenschaftlichen Kontexten angewendet werden (z. B. Chuine u. Cour 1999; Linkosalo et  al. 2006). Diese Modelle berücksichtigen allerdings zumeist nur die Tagesdurchschnittstemperatur, was angesichts der experimentellen Ergebnisse aus Israel unzureichend erscheint. Dennoch finden in einigen Obstanbaugebieten wie in den US-Staaten Georgia und Florida sogar Modelle Verwendung, die lediglich auf monatlichen Durchschnittstemperaturen basieren (Byrne u. Bacon 2009). Da die meisten dieser Modelle entweder konzeptionelle Schwächen aufweisen oder kaum außerhalb ihrer Herkunftsregion verbreitet sind, beschränken wir uns im Folgenden auf die im Obstbau gängigeren Modelle: das Kältestunden-Modell, das Utah-Modell und das Kälteportionen-Modell.

Ein Vergleich der Auswirkungen unterschiedlicher Temperaturverläufe auf die Kältewirkungs-Ansammlung veranschaulicht die Unterschiede zwischen diesen Modellen. Abbildung  3 zeigt die Anzahl an Kälteeinheiten für die drei wichtigsten Quantifizierungsmethoden, die während einer zweiwöchigen Phase als Folge von sechs unterschiedlichen Temperaturverläufen angesammelt werden. Die Temperaturverläufe sind darin konstante  5 bzw. 8°C sowie vier simulierte tägliche Temperaturzyklen, in denen die Temperatur zwischen vorgegebenen Tiefst- und Höchstwerten schwankt.

Abb. 3
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Auswirkung von sechs simulierten Temperaturverläufen (obere Grafik) auf die Chilling-Akkumulation, berechnet nach dem Kältestunden-, Utah- und Kälteportionen-Modell. Die dargestellten Temperaturverläufe sind konstante  5 oder  8°C (Konstant  5°C und Konstant  8°C), sowie tägliche Temperaturzyklen mit Tageshöchst- und Tiefstwerten von  8 und  0°C (Zyklus 0–8°C), 0 und 22°C (Zyklus 0–22°C), 5 und 15°C (Zyklus 5–15°C) und 5 und 22°C (Zyklus 5–22°C)

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Besonders auffällig ist hierbei, dass im Kältestunden-Modell eine Temperatur von  5°C für jede Stunde eine Kältestunde registriert, während schon bei geringfügig höherer Temperatur (8°C) überhaupt kein Chilling angesammelt wird. Auch die simulierten Temperaturzyklen wirken sich schwächer aus als in den anderen Modellen. Im Utah-Modell werden vor allem die negativen Auswirkungen von Temperaturen über 15,9°C auf die Ansammlung von Kältewirkung deutlich. Im Vergleich zu den beiden anderen Modellen zeigt das Kälteportionen-Modell ein sehr viel geringeres Abfallen der Chilling-Effektivität in den Temperaturzyklen, die höhere Temperaturen beinhalten (Abb.  3).

In der Literatur, die sich auf Deutschland bezieht, finden sich bis heute unseres Wissens keine Hinweise auf das Kälteportionen-Modell (Friedrich u. Fischer 2000; Müller u. Braun 2008; Winter et  al. 1992). Da dieses Modell jedoch unserer Ansicht nach das theoretisch überzeugendste ist, stellen wir in diesem Artikel Kältewirkung nach dem Kälteportionen-Modell den gängigeren Kältestunden gegenüber. Fischer u. Lüdders (1995) berichten, dass das Kältestunden-Modell zur Einstufung der Anbaueignung für Apfel in den Höhenlagen Kolumbiens ungeeignet ist. Aktuelle Forschungsergebnisse aus Kalifornien haben außerdem gezeigt, dass das Kältestunden-Modell sogar dort, wo es entwickelt wurde, in der Erklärung von Walnuss-Blühdaten dem Kälteportionen-Modell unterlegen ist (Luedeling et  al. 2009c).

Kältewirkung in Deutschland

Bisher war in Deutschland die Erfüllung des Kältebedürfnisses der heimischen Obstkulturen im Allgemeinen nicht gefährdet. Ob dies jedoch in Zeiten des Klimawandels auf lange Sicht gewährleistet bleibt, scheint angesichts der in den letzten Jahrzehnten stetig ansteigenden Temperaturen fraglich. Auch die Verfrühung der Blühzeitphasen im Meckenheimer Obstanbaugebiet in den letzten  50 Jahren um bis zu  10 Tage verdeutlicht den Einfluss des Klimawandels auf den deutschen Obstbau (Blanke u. Kunz 2009). Intuitiv scheint ein Temperaturanstieg zunächst einmal einen Rückgang an Chilling mit sich zu bringen. Solch ein Rückgang wurde im Laufe der vergangenen Jahre bereits für Kalifornien (Baldocchi u. Wong 2008; Luedeling et  al. 2009d,b) und für Hochgebirgsoasen im Oman (Luedeling et  al. 2009a) prognostiziert, teilweise mit alarmierenden Rückgangsraten. Dabei stellte sich zunehmend heraus, dass die Geschwindigkeit des Chilling-Rückganges stark von der Wahl des Kältemodells abhängt (Luedeling et  al. 2009d,b,c). Das Kälteportionen-Modell ist, zumindest unter subtropischen Bedingungen in Kalifornien, erfolgreicher im Erklären der Obstbaumphänologie als das Kältestunden-Modell (Luedeling et  al. 2009c).

Die Zielsetzung dieses Artikels ist es, die Diskussion über die Auswirkungen des Klimawandels auf den Obstanbau in Deutschland mit empirischen Daten zu untermauern. Zu diesem Zweck haben wir die Auswirkungen historischer Klimaveränderungen in Deutschland auf die Chilling-Akkumulation untersucht. Um die Auswirkungen der Kältemodellwahl zu testen, verwenden wir sowohl das in Deutschland übliche Kältestunden-Modell als auch das theoretisch überzeugendere Kälteportionen-Modell.

Material und Methoden

Herkunft der Temperaturdaten

Die Berechnung der historischen Kältewirkung basiert auf Aufzeichnungen der täglichen Höchst- und Tiefsttemperaturen von 43 Wetterstationen in Deutschland (Tabelle  2; Deutscher Wetterdienst 2009). Der am weitesten zurückreichende Datensatz mit Aufzeichnungen seit 1876 ist von der Wetterstation Hohenpeissenberg verfügbar. Für vier Stationen (Münster-Osnabrück, München-Flughafen, Nürburg-Barweiler und Emden-Flugplatz) waren Aufzeichnungen erst seit den 1980er-Jahren vorhanden. Da solch kurze Datenreihen keine verlässliche Aussage über Langzeittrends erlauben, wurden diese Stationen nicht in den präsentierten Klimaänderungskarten berücksichtigt. Viele Stationen wiesen Datenlücken auf, die jedoch im Verhältnis zur Anzahl verfügbarer Tagesdaten relativ klein waren. Für Winter, in denen weniger als  10 Tagesdatensätze fehlten, konnten diese Lücken durch lineare Interpolation geschlossen werden. Winter mit mehr als  10 fehlenden Tagesdatensätzen gingen nicht in die Berechnungen ein.

Tabelle 2 Liste der verwendeten Wetterstationen, Beginn der Wetteraufzeichnungen, geografische Lage, durchschnittlich errechnete Kältewirkung (ø) und Veränderungen seit 1950 (\( \Delta {^\prime}50/{^\prime}10 \)), quantifiziert nach dem Kältestunden- und dem Kälteportionen-Modell
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Da die Berechnung des Chillings mit den üblichen Modellen stündliche Temperaturaufzeichnungen erfordert, war es notwendig, die täglichen Temperaturen mittels idealisierter täglicher Temperaturkurven in stündliche Datensätze umzuwandeln. Nach Linvill (1990) fanden folgende Gleichungen Anwendung:

  1. 1.

    Für den Zeitraum zwischen Sonnenaufgang bis eine Stunde nach Sonnenuntergang \( T(t) = (T_{\max } - T_{\min }) \cdot \sin [ (\pi \cdot t) / (TL + 4)] + T_{\min } \), wobei T die Temperatur zum Zeitpunkt t (in Stunden) nach Sonnenaufgang, T max und T min die tägliche Höchst- bzw. Tiefsttemperatur und TL die Tageslänge ist.

  2. 2.

    Für den Zeitraum der Nachtstunden (ab eine Stunde nach Sonnenuntergang) \( T(t) = T_{\rm s} - [(T_{\rm s} - T_{\min +1}) / \ln (24-TL)] \cdot \ln (t) \), wobei T s die Temperatur bei Sonnenuntergang, t die Zeit nach Sonnenuntergang und T min+1 die Tiefsttemperatur des folgenden Tages ist.

Aus den mit diesen Formeln ermittelten stündlichen Temperaturwerten berechneten wir dann die Chilling-Akkumulation nach dem Kältestunden- und Kälteportionen-Modell. Um Kältewirkung nach dem Kältestunden-Modell zu berechnen, müssen ein Anfangs- und ein End-Datum für die Wintersaison festgelegt werden. Hierfür wurden der 1.  Oktober und der 1.  Mai verwendet. Das Kälteportionen-Modell enthält einen Selbstregulierungsmechanismus, der die Ansammlung von Chilling während der warmen Monate verhindert. Daher wurde das Anfangsdatum für die Kälteportions-Ansammlung auf den 1.  Juli gesetzt.

Als Kältestunden wurden alle Stunden gewertet, in denen Temperaturen zwischen  0 und  7,2°C vorherrschten. Die Gleichungen für die Berechnungen der Kälteportionen sind zu komplex, um sie hier darzustellen. Sie können aber bei Luedeling et  al. (2009b) nachgelesen werden. Die Ermittlung der beiden Kältemetriken für alle Winter, in denen Temperaturaufzeichnungen vorlagen bzw. ermittelt werden konnten, erfolgte mit der Programmiersprache JSL (JMP Scripting Language; JMP  7, SAS Inst., Cary, NC, USA).

Zeitliche Trends und räumliche Interpolation

Zur Ermittlung langzeitlicher Trends wurden mit beiden Modellen für alle verfügbaren Stationen mittels linearer Regression die jährlichen Raten bestimmt, mit denen sich die Kältewirkung im Laufe der Jahre verändert hat. Diese Ergebnisse erlaubten die Extrapolation des historischen Datensatzes, um das voraussichtliche Chilling für alle Stationen im Jahr 2010 abzuschätzen. Ebenfalls ließen diese Ergebnisse die Abschätzung rezenter Chilling-Verluste zwischen 1950 und 2010 zu.

Durch räumliche Interpolation (ArcGIS  9.2, ESRI, Redlands, CA, USA) entstand aus den Daten der einzelnen Wetterstationen eine flächendeckende Chilling-Karte für Deutschland. Diese Interpolation erfolgte mit der Kriging-Interpolationstechnik. Da viele Regionen Deutschlands jedoch weit von der nächsten Wetterstation entfernt liegen und die unterschiedlichen Höhenlagen der Mittelgebirge und die geographische Breite sich ebenfalls entscheidend auf die Temperaturverläufe auswirken, war es nötig, einen Korrekturmechanismus für diese Variation in die Interpolation einzubauen. Sowohl für die Höhenlage als auch für die geographische Breite berechneten wir hierzu zunächst die Differenzen zwischen den wahren Werten für jeden Punkt in Deutschland (Höhenlage nach dem SRTM30-Höhenmodell der Global Land Cover Facility, University of Maryland, USA) und durch die Positionen der Wetterstationen interpolierter Oberflächen für Breite und Höhe. Diese Differenzoberflächen repräsentierten den zusätzlichen Einfluss der Höhe und Breite, der nicht durch einfache Interpolation der berechneten Chilling-Werte abgedeckt wurde. Um diesen Anteil ebenfalls zu berücksichtigen, berechneten wir mittels PLS-Regression den Einfluss des Zusammenwirkens von Höhenlage und Breitengrad auf die Kältewirkung, multiplizierten die Differenzoberflächen mit den jeweiligen Zuwachsraten und addierten diese Oberfläche auf die interpolierte Chilling-Oberfläche.

Dieses Verfahren wurde sowohl für die repräsentativ geschätzte Kältewirkung im Jahr 2010 als auch für die Chilling-Veränderungen zwischen 1950 und 2010 angewendet.

Ergebnisse

Deutschlandweite verfügbare Kältewirkung und zeitliche Trends

Die nach dem Kältestunden-Modell berechnete Kältewirkung lässt über den Zeitraum, für den Wetteraufzeichnungen vorlagen, deutschlandweit keinen signifikanten Trend erkennen (Abb.  4). Die Regression über alle Abschätzungen der Kältestunden der einzelnen Wetterstationen ergab nur einen Rückgang um  0,06 Kältestunden pro Jahr bzw.  0,002% des langjährigen Mittelwerts (2423 Kältestunden). Die Jahre mit den wenigsten Kältestunden waren hierbei 1963 (1699 Kältestunden), 1996 (1721), 1947 (1831) und 1970 (1843). Die meisten Kältestunden standen 1975 (3249 Kältestunden), 1898 (3110), 1923 (3084) und 1905 (2874) zur Verfügung. Bei dieser Betrachtung muss allerdings beachtet werden, dass die Anzahl der Wetterstationen, die in die Berechnung des landesweiten Durchschnitts eingingen, teilweise stark unterschiedlich war (Abb.  4, Balkendiagramm).

Abb. 4
figure 4

Deutschlandweite jährliche Mittelwerte der Kältestunden über alle verwendeten Wetterstationen und lineare Regression über die Zeit. Die grauen Box-Plots stellen die gesamte Verteilung über alle Stationen dar. Das Balkendiagramm am unteren Rand zeigt die Anzahl der verwendeten Stationen pro Jahr

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Wird das Kälteportionen-Modell für die Berechnung verwendet, ergibt sich ein leicht stärkerer, aber dennoch nicht signifikant abnehmender Chilling-Trend um  0,04 Kälteportionen pro Jahr bzw.  0,03% des langjährigen Durchschnitts von 141,5 Kälteportionen (Abb.  5). Die Jahre mit der geringsten Kältewirkung waren 1996 (113,7 Kälteportionen), 1947 (116,5), 1963 (118,2) und 1970 (120,1). Die meisten Kälteportionen standen 1913 (167,0 Kälteportionen), 1975 (162,7), 1884 und 1883 (jeweils 159,5) zur Verfügung.

Abb. 5
figure 5

Deutschlandweite jährliche Mittelwerte der Kälteportionen über alle verwendeten Wetterstationen und lineare Regression über die Zeit. Die grauen Box-Plots stellen die gesamte Verteilung über alle Stationen dar. Das Balkendiagramm am unteren Rand zeigt die Anzahl der verwendeten Stationen pro Jahr

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Regionale Unterschiede und zeitliche Trends der Kältewirkung in Deutschland

Innerhalb Deutschlands konnten große Unterschiede in der Chilling-Verfügbarkeit festgestellt werden. Nach dem Kältestunden-Modell ergab sich in der Prognose für 2010 vor allem ein Nord-Süd-Gefälle, wobei die meisten Kältestunden im Norden und die wenigsten im Süden auftraten (Schleswig-Holstein mit 3000 Kältestunden, Alpenrand nur etwa 1750 Kältestunden). Viele Kältestunden ergaben sich auch im Rhein-Mosel-Gebiet mit über 2500 Kältestunden (Abb.  6a). Darüber hinaus ließ sich ein starker Einfluss der Höhenlage feststellen. Auf den Gipfeln des Fichtelberges und der Zugspitze wurden zum Beispiel sehr wenige Kältestunden ermittelt (Tabelle  2).

Abb. 6
figure 6

Unter den Klimabedingungen von 2010 zu erwartende Kältewirkung in Deutschland, quantifiziert in Kältestunden (a) und Kälteportionen (b)

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Nach dem Kälteportionen-Modell ergab sich ein leicht anderes Muster (Abb.  6b). Das Gebiet mit den meisten Kälteportionen erstreckt sich von Schleswig-Holstein und Ostfriesland in einem langen Streifen bis an Rhein und Mosel. Hier sind zwischen 145 und 150 Kälteportionen typisch. Verhältnismäßig wenige Kälteportionen sind nach diesem Modell in Südwestdeutschland und Südbayern zu erwarten. Auch in Sachsen, Thüringen, weiten Teilen Brandenburgs sowie den übrigen Gebieten Bayerns und Baden-Württembergs sind nur etwa 135–140 Kälteportionen typisch. Insgesamt bewegen sich die verfügbaren Kälteportionen (mit Ausnahme der Berggipfel) in einem relativ engen Bereich zwischen 120 und 150 (Tabelle  2).

Der Vergleich zwischen der zu erwartenden Kältewirkung im Jahr 2010 und den typischen Bedingungen um 1950 zeigt, dass sich auch im langzeitlichen Trend starke regionale Unterschiede erkennen lassen (Abb.  7a). Entscheidet man sich für das Kältestunden-Modell, stechen vier Wetterstationen hervor, an denen die Zahl der Kältestunden in diesem Zeitraum stark abgenommen hat (Konstanz –796, Düsseldorf –669, Leipzig-Schkeuditz –666 und Dresden-Klotzsche –293; vgl. Tabelle  2). Anderseits nahmen die Kältestunden auf dem Kahlen Asten \( (+447) \) und in Meiningen \( (+372) \) stark zu. Außerhalb relativ kleiner Gebiete in der Umgebung der erwähnten Wetterstationen änderte sich die Kältewirkung um weniger als 200 Kältestunden gegenüber 1950 (Abb.  7b).

Abb. 7
figure 7

Veränderungen in der Kältewirkungsverfügbarkeit zwischen 1950 und 2010, basierend auf langzeitlichen Trends, quantifiziert in Kältestunden (a) und Kälteportionen (b)

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Die gleichen Berechnungen nach dem Kälteportionen-Modell ergaben weit weniger dramatische Veränderungen (Abb.  7b). Die größten Kälteportionenverluste wurden für Leipzig-Schkeuditz (–12,8) und Düsseldorf (–11,6) festgestellt. Auf dem dritten Rang folgte Karlsruhe mit einem sehr viel geringeren Verlust von 4,7 Kälteportionen. Gleichzeitig nahm an einigen Standorten die Kältewirkung stark zu (Meiningen \( + \)12,2, Straubing \( + \)11,3 und Neuruppin \( + \)10,6). Im größten Teil Deutschlands schwankten die Chilling-Veränderungen in diesem Zeitraum zwischen \( + \)2,5 und –2,5 Kälteportionen. Prozentual ausgedrückt variierten die Chilling-Veränderungen im untersuchten 60-Jahre-Zeitraum von –27 bis \( + \)24% für das Kältestunden-Modell und von –9 bis \( +9\% \) für das Kälteportionen-Modell.

Diskussion

Kältewirkung in Deutschland

In Deutschland liegen die Regionen mit dem meisten Chilling an der Nordseeküste und in der Norddeutschen Tiefebene, wo relativ milde Wintertemperaturen vorherrschen und nicht in den südlicheren Gebieten mit ihren oft sehr viel kälteren Wintern. Dies liegt daran, dass in beiden verwendeten Kältemodellen sowie auch im Utah-Modell, das hier ausgespart blieb, Temperaturen unter dem Gefrierpunkt nicht zur Ansammlung von Kältewirkung beitragen. Somit ergibt sich nach beiden Modellen die geringste Kältewirkung auf der Zugspitze. Generell scheint das verfügbare Chilling negativ mit der Frosthäufigkeit zu korrelieren, weil bei den für Deutschland typischen Wintertemperaturen der Großteil der frostfreien Stunden in den effektivsten Temperaturbereich beider Modelle fällt.

Unter den bedeutenden Obstanbauregionen Deutschlands ergab sich für das Alte Land und die Meckenheimer Gegend verhältnismäßig viel Chilling (etwa 2450 Kältestunden oder 145 Kälteportionen), während die Gegend um Dresden bzw. Halle (2250/138) und die Bodenseeregion (2250/136) etwas weniger Kältewirkung aufweisen.

Langjährige Trends in der Kältewirkung

Deutschlandweit lässt sich bisher kaum ein Trend in der Chilling-Verfügbarkeit feststellen. In subtropischen Gebieten, wie z. B. im Hochgebirge des Oman (Luedeling et  al. 2009a) oder in Kalifornien (Baldocchi u. Wong 2008; Luedeling et  al. 2009a; Luedeling et  al. 2009b), wo in den letzten Jahren bereits massive Rückgänge im Chilling verzeichnet wurden, wird es hingegen möglicherweise in der nahen Zukunft zu großen Problemen kommen. Die Ursache für diese regionalen Unterschiede besteht darin, dass die durchschnittlichen Wintertemperaturen in Deutschland deutlich niedriger sind als z. B. in Kalifornien. Dort führt ein leichter Temperaturanstieg dazu, dass mehr Stunden aus dem optimalen Temperaturbereich herausfallen als hinzukommen. In Deutschland ist die Situation umgekehrt. Hier dürften in vielen Fällen mehr Stunden aus dem leichten Frostbereich in den positiven Temperaturbereich rücken als über den oberen Schwellenwert für die Chilling-Akkumulation hinauswandern. Das sollte insbesondere beim Kälteportionen-Modell der Fall sein, da es hier keine harte Abbruchkante bei 7,2°C gibt und Temperaturen bis etwa 15°C kältewirksam sind. Dieser Schwellenwert wird in deutschen Wintern nur sehr selten überschritten. Der Unterschied in den Temperaturobergrenzen beider Modelle erklärt auch, warum die Veränderungen in Kälteportionen (−9 bis \( +9\% \)) prozentual sehr viel geringer ausfallen als in Kältestunden (−27 bis \( +24\% \)).

Regional ergaben sich große Unterschiede in der Chilling-Entwicklung (Tabelle  3). Nach dem Kältestunden-Modell scheint in den Gegenden um Dresden, Düsseldorf, Konstanz und Leipzig in den letzten  60 Jahren Einiges an Kältestunden verloren gegangen zu sein. Ansonsten gab es nur geringe Verluste bzw. Zunahmen. In Kälteportionen ausgedrückt erscheint die Lage nirgendwo in Deutschland besonders dramatisch.

Tabelle 3 Verfügbarkeit und Veränderungen seit 1950 in der Kältewirkung in verschiedenen Obstanbauregionen in Deutschland
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Sollte sich das Kältestunden-Modell für Deutschland als geeignet erweisen, sieht es so aus, als müssten sich die Obstbauern in der Dresdener Gegend und vor allem am Bodensee in der Zukunft auf deutlich geringere Kältewirkung einstellen. Das Alte Land und die Meckenheimer Gegend scheinen dagegen relativ verschont zu bleiben. Nach dem Kälteportionen-Modell gibt es in keinem der bedeutenden Anbaugebiete Anlass zur Sorge.

Vergleich der Kältemodelle

Die oben angeführten Ergebnisse haben gezeigt, dass es große Unterschiede zwischen den beiden Kältemodellen gibt. Das Kältestunden-Modell wies sowohl in der räumlichen Verteilung als auch in der zeitlichen Entwicklung eine sehr viel stärkere Streuung der Kältewirkung auf als das Kälteportionen-Modell. Das deutet schon an, dass die beiden Modelle offenbar nicht dasselbe messen, und dass eines der Modelle vermutlich die Kältewirkung genauer quantifiziert als das andere. In diesem Zusammenhang lohnt sich ein Blick auf das Verhältnis von Kältestunden zu Kälteportionen. Wäre es sowohl über die Zeit als auch von Ort zu Ort einigermaßen konstant, könnte angenommen werden, dass die Modelle äquivalent sind und etwa gleich nützlich. Abbildung  8 zeigt aber, dass zeitliche Konstanz des Quotienten zwischen den beiden Kältemetriken über die Dauer der hier verwendeten Wetteraufzeichnungen nicht gegeben ist.

Abb. 8
figure 8

Veränderung des deutschlandweit berechneten Quotienten zwischen Kältestunden und Kälteportionen seit 1877

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Auch der Ort, an dem die Messungen durchgeführt wurden, scheint eine nicht unerhebliche Rolle zu spielen, wobei insbesondere der Breitengrad und die Höhenlage offenbar das Verhältnis von Kältestunden zu Kälteportionen beeinflussen (Abb.  9).

Abb. 9
figure 9

Auswirkung von Breitengrad (linke Grafik) und Meereshöhe (rechte Grafik) auf das Verhältnis von Kältestunden zu Kälteportionen

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Eine Entscheidung für eines der beiden Modelle für Deutschland lässt sich ohne weitere Untersuchungen nicht treffen. In Kalifornien hat sich vor Kurzem herausgestellt, dass das Kälteportionen-Modell eine sehr viel überzeugendere Erklärung für die historischen Blühzeitpunkte mehrerer Walnusssorten lieferte als der Kältestunden-Ansatz (Luedeling et  al. 2009c). Vergleichbare Studien für Deutschland sind uns nicht bekannt.

Auswirkungen verringerter Kältewirkung

In einigen Anbaugebieten Deutschlands scheinen durchaus von Zeit zu Zeit Jahre mit verhältnismäßig geringer Kältewirkung vorzukommen. In Abhängigkeit vom Kältemodell könnte es in den Anbaugebieten um Dresden und am Bodensee einen langjährigen Trend abnehmenden Chillings geben. Die entscheidende Frage ist jedoch, ob das in der Zukunft negative Folgen für den Obstanbau in Deutschland haben wird. Zweifelsfrei lässt sich momentan noch keine Antwort geben, weil zu wenig über die Kältebedürfnisse der hiesigen Obstarten und -sorten bekannt ist. Selbst wenn derartige Informationen vorliegen, sind die Angaben nur in Kältestunden zu bekommen. Darüber hinaus wurden sie bisher meist unter kontrollierten, konstanten Temperaturbedingungen ermittelt – eine Methode, die zu zweifelhaften Ergebnissen führen kann (Luedeling et  al. 2009c). In Kalifornien sind für viele Obstarten aufgrund des marginalen Winterklimas sehr viel mehr Informationen verfügbar. Hier lässt sich einigermaßen sicher sagen, dass viele Sorten in Zukunft Schwierigkeiten haben werden, ihre Kältebedürfnisse zu befriedigen (Luedeling et  al. 2009d). Für Deutschland gibt es jedoch Grund zu der Annahme, dass der Klimawandel zunächst keine direkten negativen Auswirkungen auf das Chilling und damit auf die Erfüllung der Kältebedürfnisse der meisten Obstarten haben wird. Dieser Eindruck ergibt sich aus den Beobachtungen der letzten Jahre. Im warmen Winter 2006/07 mit relativ hohen Temperaturen im Januar wurde eine stark verfrühte, schwache und unregelmäßige Blüte bei vielen Obstgehölzen in Deutschland beobachtet (eigene Beobachtungen, unveröffentlicht). Diese Symptome werden oft mit einer Nichterfüllung des Kältebedürfnisses in Verbindung gebracht. Die Betrachtung der Kältewirkung in diesem Winter bestätigt den Verdacht allerdings nicht, da mit einem deutschlandweiten Mittelwert von 2293 Kältestunden bzw. 137 Kälteportionen eine vollkommen normale Kältewirkung verfügbar war. Der Grund für den veränderten Blühablauf scheint eher darin zu liegen, dass viele Obstgehölze bereits im Januar ihr Kältebedürfnis erfüllt hatten und auf warme Temperaturen reagieren konnten.

Die Brechung der Dormanz erfolgt nach allgemeinem Verständnis in einem zweiphasigen Prozess, in dem zunächst das Kältebedürfnis und anschließend das Wärmebedürfnis zum Erreichen eines bestimmten phänologischen Stadiums erfüllt werden muss (Luedeling et  al. 2009c). Nach diesem (möglicherweise leicht vereinfachten) Konzept sollten sowohl Wärme, die vor dem Erfüllen des Kältebedüfnisses auftritt, als auch Kälte (abgesehen von Frost) nach diesem Zeitpunkt keine bedeutenden Auswirkungen auf die Dormanzbrechung haben. Dass die hohen Januartemperaturen offenbar zu einer verfrühten Blüte geführt haben, ist ein Anhaltspunkt dafür, dass selbst in einem Jahr mit durchschnittlicher Winterkälte bereits im Januar die Kältebedürfnisse vieler Bäume erfüllt waren.

Der Winter von 2006/07 weist daher auf ein möglicherweise sehr viel größeres Problem hin. Nach der in Kalifornien üblichen Quantifizierung der winterlichen Wärme in Wachstums-Grad-Stunden (engl. Growing Degree Hours) stellt sich heraus, dass der besagte Winter aus „Obstbaumperspektive“ der mit Abstand wärmste seit Beginn der Aufzeichnungen war (Abb.  10). Die Betrachtung dieses agroklimatischen Indikators ergibt einen deutlichen Erwärmungstrend über die vergangenen 130 Jahre.

Abb. 10
figure 10

Deutschlandweite jährliche Mittelwerte der Wachstums-Grad-Stunden über alle verwendeten Wetterstationen und lineare Regression über die Zeit. Die grauen Box-Plots stellen die gesamte Verteilung über alle Stationen dar. Das Balkendiagramm am unteren Rand zeigt die Anzahl der verwendeten Stationen pro Jahr

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Sollten die Kältebedürfnisse tatsächlich relativ früh im Winter erfüllt sein, dann hat das zur Folge, dass die Obstgehölze sehr viel früher genügend Wärme für die Blütenentwicklung ansammeln können und sich damit der Blühzeitpunkt verfrüht. In diesem Fall steigt die Wahrscheinlichkeit, dass die Blüte während einer relativ kalten Phase stattfindet. Die Folgen können negative Auswirkungen auf die Blüh-Synchronität und die Bestäubung und ein erhöhtes Risiko von Frostschäden sein.

Schlussfolgerungen

Für Deutschland insgesamt scheint die Kältewirkung während des letzten Jahrhunderts nicht oder nur sehr schwach abgenommen zu haben. Generell liegt sie zwischen etwa 1700 und 3000 Kältestunden oder zwischen 125 und 150 Kälteportionen, wobei die Regionen mit dem meisten Chilling eher im norddeutschen Raum als im kälteren Süden des Landes liegen. Das Kältestunden-Modell reagiert sehr viel empfindlicher auf Klimaänderungen als das Kälteportionen-Modell. Aus dieser Erkenntnis ergibt sich die Fragestellung, welches der beiden Modelle, mit ihren sehr unterschiedlichen Ansätzen, für Deutschland am besten geeignet ist.

Es sieht nicht so aus, als würden dem deutschen Obstanbau auf absehbare Zeit durch Chilling-Verluste große Schwierigkeiten erwachsen. Ein größeres Problem könnte die Zunahme der winterlichen Wärme darstellen, die eine Verfrühung der Blütezeitpunkte und damit eine erhöhte Empfindlichkeit gegenüber Spätfrösten mit sich bringt.