Welche Veränderungen kann der Klimawandel für Pollenflug und Pollenbelastung allergener Pflanzen bringen?

Hintergrund: Global vollzieht sich ein Klimawandel. Pollenallergien nehmen seit Mitte des letzten Jahrhunderts zu. Im Außenraum sorgt die Sensibilisierung gegenüber Pollenallergenen für die höchste Prävalenz von Allergien an Augen und Atemwegen. Daraus ergeben sich folgende Fragen:

Präsaisonale meteorologische Faktoren bestimmen kumulativ Blütenentwicklung, Blüte und Pollenflug (PF). PF-Beginn (PFB) und PF-Dauer von Hasel, Erle, Birke und Gräsern folgen anderen Mechanismen als die saisonale Pollenproduktion (SPIn). Das Modelljahr 2018 bietet durch seinen hybriden Charakter Erklärungen für unterschiedliche Pollenflug- und Belastungsszenarien. Für Hasel (Corylus), Erle (Alnus) und Birke (Betula) ist die Koinzidenz von kumulierter mittlerer Tageswärme (MTW_kumul) und artspezifischer Schwelle der Tageshöchsttemperatur (THT) für den PF-Beginn notwendig. Der früheste war 2018. Frost (MTF_kumul) verzögert den PF-Beginn. Präsaisonaler Frost beziehungsweise kühle Temperaturen stimulieren die SPIn von Erle und Birke, während die Pollenproduktion der Hasel wärmeabhängig ist. Wärme verlängert die PF-Dauer der Frühblüher. Hitze - kombiniert mit Dürre - verkürzten diese 2018 bei der Birke. Die relative Feuchte (RF) ist hoch signifikant mit dem Blühbeginn der Gräser korreliert. Wärme und Trockenheit führten 2018 zum frühesten PF-Beginn der Gräser seit 1993. Langfristig nehmen ihre SPIn und Haupt-Pollen-Peaks mit der Trockenheit ab.

https://doi.org/10.1007/s40629-020-00152-4

Pollen zählen zu den wichtigsten Allergen-Carriern im Außenraum. In Österreich hängen Sensibilisierung und Allergie zumindest bei Kindern von der Pollenbelastung ab [1], andererseits wurden in urbanen schadstoffbelasteten Gebieten allergenspezifische IgE bei 37,8 % gegenüber 25,6 % in ländlichen Gebieten gefunden [2]. Bei 501 unselektionierten Jugendlichen im Alter von 12 bis 21 Jahren in Salzburg zeigten rezent 53,5 % eine Sensibilisierung gegenüber Pollenallergenen, 26,5 % gegenüber Phl p 1 (Grasallergen Gruppe 1) und 16,3 % gegenüber Bet v 1 (Hauptallergen der Birke). Die Prävalenz der Pollensensibilisierung betrug 41,7 % und war von Birke und Gras dominiert [3]. Wegen progressiver Klimaerwärmung, beschleunigt seit 1980, und Anstieg des CO₂ in der Luft im vergangenen Jahrhundert von circa 300 auf über 400 ppm (parts per million) wird eine Zunahme der Pollenbelastung erwartet [4]. Vergleiche der Pollenkonzentrationen allergener Pflanzen in der Luft verschiedener Stationen Europas zeigen keinen übereinstimmenden Anstieg [5]. Unterschiedliche Trends bei allergenen Frühblühern und krautigen Sommerblühern (z. B. relativ konstant bei Gräsern, fallend bei Beifuß) tragen zum heterogenen Bild des Einflusses des Klimawandels bei [6]. Die Analyse des regionalen Klimas und parallel des Pollenflugs allergener Pflanzen - Erle, Hasel, Birke und Gräser - der letzten 25 Jahre in Linz (Oberösterreich) sowie des "Modell-Wärmejahres 2018" sollten diese Hypothesen überprüfen lassen.

Das Jahr 2018 war nach der Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik in Wien (ZAMG) das wärmste Jahr in der 251-jährigen Messgeschichte (seit 1768 lagen von den 20 wärmsten Jahren 14 in den 2000er-Jahren). Es ist charakterisiert durch das höchste Temperatur-Jahresmittel von 12,2 °C mit einer Abweichung von +2,3 °C sowie gleichzeitigem Trockenheitsrekord seit 1852 bei einem Niederschlag von -42 % [7]. Von 1993 bis 2017 sind die Jahresmitteltemperaturen der Tageshöchsttemperatur (THTjm), Tagesmitteltemperatur (TMTjm) und Tagestiefsttemperatur (TTTjm) in Linz progressiv gestiegen. 2018 lagen sie über dem erwarteten Trend, während der Niederschlag über 25 Jahre nicht signifikant zurückging, 2018 aber extrem niedrig war (Abb. 1a). Bei Zunahme von Hitzewellen steigt die Gefahr von Dürre in einem an sich schon niederschlagsarmen Gebiet [8]. Der Klimawandel spiegelt sich für Linz in der Zunahme der Tage > 20°C (R2 = 0,26; p = 0,009) und > 25 °C (R² = 0,18; p = 0,035) im Zeitraum 1993 bis 2017 wider. Parallel nahm der Frost bis 2018 signifikant ab (R² = 0,16, p = 0,027). Der Januar 2018 war überdurchschnittlich warm (Monatsmittel: 4,5 °C) und gleichzeitig der feuchteste der letzten 26 Jahre (Monatsmittel: 97 mm). Nach Kälteeinbrüchen im Februar und März setzte eine Erwärmung ein, die im April zu den höchsten Monatsmitteltemperaturen des letzten Vierteljahrhunderts führten. Dies war gepaart mit einer anhaltenden Trockenheit (relative Feuchte [RF] April: 51,8 % - siehe auch Abb. 8a und 8b). 2018 lag die Temperatur in zehn Monaten über dem Durchschnitt von 1993 bis 2017. Zwei Monate waren unterdurchschnittlich kalt (Abb. 1b).

Die sichtbarste Langzeitfolge der Klimaerwärmung ist ein "früher Frühling" [9, 10]. Nach Keenan et al. [11] zieht dieser ein frühes Vegetationsende nach sich. Es steigt zwar durch den verstärkten CO₂-Ausstoß die pflanzliche Biomasse in der Nördlichen Biosphäre [12], der Effekt wird aber durch die Häufung saisonaler Wasserdefizite im Sommer und Herbst wettgemacht [13]. Klinisch-palynologisch definieren Blühbeginn, -dauer und -intensität die Pollensaison [14]. Für Blühprognosen des Österreichischen Pollenwarndienstes wurden die Tageshöchsttemperaturen (THT) [15, 16, 17] und aufsummierten Tagesmitteltemperaturen (TMT_cumul) [18] und als Stichtage der 1. Dezember des Vorjahres oder der 1. Januar desselben Jahres verwendet. Begründet wird dies damit, dass (a) mitteleuropäische Bäume und Sträucher einen Kältereiz als Freigabesignal für die temperaturabhängige Entwicklung der Blüte benötigen [19, 20] und (b) Temperatursummen aus phänologischer Sicht bei Hasel, Erle und Birke die primäre Einflussgröße ist [21]. Bei der Hasel erfolgen Blattschub und Wachstum nach, bei der Birke parallel zur Blüte. Bei den allergenen Sommerblühern (Gräsern und Kräutern) gehen Pflanzenwachstum und Differenzierung der Blühperiode voraus. Für letztere spielen optimale Start-up-Bedingungen in Form von Temperatur, Niederschlag und RF eine wichtige Rolle [22].

Linz, die Hauptstadt von Oberösterreich, liegt 260 m über Adria und ist eine Industriestadt mit 200.000 Einwohnern und weiteren 300.000 in den umliegenden Gemeinden. Die Stadt erstreckt sich über 96 km² und liegt an der Donau in einem Becken, das von West-Nordwest-Südost (W-NW-SO) vom Kristallin des Böhmischen Massivs mit Höhen bis 930 m begrenzt wird und nach S-SW gegen das Alpenvorland hin offen ist. Seine Flächen verteilen sich laut Magistrat Linz auf:

Hauptpollenquellen sind einerseits die Auwälder der Donau und ihrer Zuflüsse (mit Erlen: Alnus glutinosa und A. incana) und der pollenemittierende Grüngürtel um die Stadt (mit Birke = Betula pendula, Hasel = Corylus avellana, Gräsern = Poaceae).

Für die Pollenmonitoring-Station Linz (ATLINZ, N48,303179/O14,305636°, Beginn 1985) des Oberösterreichischen Pollenwarndienstes [23] wird eine Burkard-Pollenfalle verwendet, die 20 m über Grund auf einem Dach des Kepler Universitätsklinikums, Med-Campus III (früher AKh Linz) montiert ist. Die Pollenzählung erfolgt standardisiert [24] mittels Lichtmikroskop seit 1987 durch den gleichen Analytiker. Die mittlere Pollenkonzentration eines Tages pro m³ Luft (PK) wird in die EAN(European Aeroallergen Network)-Datenbank, in Kooperation mit dem Österreichischen Pollenwarndienst in Wien, eingespeist. Von dort wurde sie für die vorliegende Arbeit abgerufen. Saisonal aufsummierte PK werden als saisonales Pollenintegral [25], kurz SPIn, bezeichnet. Durchgehende Messreihen von Erle, Hasel, Birke und Gräser liegen seit 1993 vor. Jahre mit saisonalen Datenlücken > 6 Tage wurden nicht berücksichtigt.

Beginn und Ende des Pollenflugs (PF) werden phänologisch als erst- und letztmaliges Erreichen von 10 PK für Erle, Hasel und Birke sowie 5 PK für Gräser definiert. Die Zeit dazwischen gilt als PF-Dauer. Wegen der im Studienzeitraum enthaltenen sechs Schaltjahre wurde Jahrestagen gegenüber dem Kalenderdatum der Vorzug gegeben.

Für den meteorologischen Datensatz von 1993 bis 2018 wurden Stunden- und Tageswerte für Temperatur (°C), Niederschlag (mm = L/m²) und relative Feuchte (in %) der Station Linz-Stadt (M1) der Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik (ZAMG Wien-Salzburg), ein Kilometer von der Pollenfalle entfernt, herangezogen. Aus den Stunden- und Tageswerten leiten sich die Tageshöchsttemperaturen (THT), Tagesmitteltemperaturen (TMT) und Tagestiefsttemperaturen (TTT) ab. Davon unterschieden wurde die mittlere Tageswärme (MTW = ¹∫₂₄ Stundentemperaturen > 0 °C/24 Stunden; Wärme definiert als Temperatur > 0 °C als pflanzenphysiologische Grenztemperatur).

Für den meteorologisch getriebenen PF-Beginn wurden die kumulative mittlere Tageswärme (MTW_kumul ab 1. Januar = Summe der mittleren Tageswärme) sowie eine distinkte THT-Schwelle benutzt. Davon abgegrenzt wurde analog der Einfluss von Frost (MTF_kumul = Summe des mittleren Tagesfrosts < 0 °C). Für MTW_kumul und MTF_kumul wurden von 1993 bis 1999 Halbstundentemperaturen der Messstation M2 am 24er-Turm der Stadt Linz (Oberösterreichisches Luftmessnetz, OÖ Luftmessnetz), circa 2,2 Kilometer von der Pollenfalle entfernt, verwendet; ab dem Jahr 2000 Stundentemperaturen der ZAMG (M1).

Für die Abbildungen, Tabellenkalkulationen und Regressionen wurden die Programme Microsoft Excel 2003 und 2010 sowie SigmaPlot von Systat Software Inc. (zusammen mit den in den Programmen implementierten Analysefunktionen) verwendet.

In Linz nahm über 26 Jahre die Temperatur zu und zwar im Sommer- mehr als im Winterhalbjahr. Während die Minustemperaturen pro Jahr kaum abnahmen, nahm die MTW pro Jahr um 0,056 °C zu (R2 = 0,4151; p < 0,001). Die Korrelation zwischen Wärmezu- und Frostabnahme ist hoch signifikant (R² = 0,519; p = 0,00002), was für eine parallele Verringerung/Verkürzung der winterlichen Frostzeiten spricht [28]. Dagegen fiel im Beobachtungszeitraum der Niederschlag tendenziell, sodass sich das Klima regional in Richtung warm-trocken entwickelte; ablesbar an der kontinuierlich fallenden mittleren RF. Linz als "urbanes Pflaster" liegt in einer niederschlagsarmen Region, in der sich meteorologische Grenzsituationen wie Niederschlagsdefizite und urbane Überwärmung früh auswirken. Bei Fortsetzung des langjährigen meteorologischen Trends lässt das außergewöhnliche Jahr 2018 ähnliche Situationen in circa 20 Jahren als "gängig" antizipieren.

Die Erklärung dafür, dass die regionale Klimaerwärmung und zunehmende Trockenheit über 26 Jahre statistisch keine signifikante (fassbare) Änderung des Pollenflugs von Hasel, Erle, Birke und Gräsern nach sich zog, ist in der variablen Saisonalität zu suchen. Der Grund für diese dürfte in der hohen Varianz der den PF bestimmenden präsaisonalen Wettersituationen liegen. Daraus resultiert, dass über 26 Jahre die kumulierte MTW bis Tag 90 keine signifikante Änderung zeigt (R2= 0,023; n. s.) im Gegensatz zur Jahreserwärmung (R² = 0,339; p = 0,0018). Die phänologischen Zusammenhänge und Gesetzlichkeiten hinter dieser Varianz werden diskutiert. Bei Birke und Gräsern ist in Zukunft eher eine Vorverlagerung der PF-Periode zu erwarten; bei den Gräsern scheint sich diese Tendenz bereits abzuzeichnen.

2018 war in Linz bei einer überdurchschnittlichen Temperaturerhöhung in zehn/zwölf Monaten ein Wärmejahr und aufgrund eines Niederschlagsdefizits ebenfalls in zehn/zwölf Monaten ein Trockenjahr. Zusätzliche Kälteperioden im Februar und März mit Eigengesetzlichkeiten wie höherer Pollenproduktion bei Erle und Birke durch stimulierende Kältereize machen 2018 zu einem ausgesprochenen Hybridjahr.

Bei den frühblühenden Bäumen und Sträuchern Erle, Birke und Hasel beginnt die Anlage und Entwicklung der männlichen Kätzchen schon im Sommer des Vorjahres. Für sie sind im PF-Jahr die Koinzidenz einer distinkten MTW_kumul als Entwicklungstemperatur zum Erreichen der Blühbereitschaft und die THT als Impuls- beziehungsweise Öffnungstemperatur für den Start der Pollination erforderlich. Das für die Frühblüher exemplarische Modell des Pollenflugbeginnkorridors der Birke illustriert, wie der artspezifische Blühbeginn durch MTW_kumul und eine THT-Schwelle zeitlich eingeengt werden. Es umreißt die Kriterien für eine meteorologische PF-Beginn-Vorhersage. Analoge PF-Beginnkorridore sind für Hasel und Erle konstruierbar, da die Blühbedingungen gleichen Prinzipien folgen. Als dritte meteorologische Determinante des PF-Beginns tritt Frost hinzu. Frost verzögert den Blühbeginn von Hasel und Erle und erklärt dessen hohe Varianz. 2006 erfolgte der PF-Beginn wegen des beobachteten Frostmaximums 55 Tage später als der früheste 2018. Warme beziehungsweise frostarme Winter führen zu einer Blühphasenverschiebung bei Erle und Hasel nach vorne. Die präsaisonalen MTW_kumul und THT-Schwellen blieben bei aller Variabilität in den letzten 26 Jahren auffallend konstant und damit als Haupttreiber des PF-Beginns unverändert.

Die saisonale Pollenproduktion folgt bei Hasel, Erle und Birke anderen Mechanismen als der PF-Beginn. Frost führte 2018 zu einer Blühunterbrechung bei Hasel und Erle. Präsaisonaler Frost und kühle Temperaturen stimulierten bei der Erle die Pollenproduktion (SPIn), während die Hasel hierzu der Wärme bedurfte. Die Birke zeigt das Paradoxon, dass sie zwar höhere Temperaturen für die Blühbereitschaft verlangt als Erle und Hasel, aber ebenfalls kühle präsaisonale Temperaturen die SPIn steigern [18]. Aufgrund der nordisch/alpinen beziehungsweise montanen Verbreitungsschwerpunkte von Hängebirke (B. pendula) und Grauerle (A. incana) macht diese Strategie durchaus Sinn, da hauptsächlich Frost im Frühling die Verbreitungsgrenzen bestimmt [29]. Der Mechanismus ist jedoch unbekannt. Die Wärmestimulation der Hasel könnte mit ihrem unterschiedlichen (südosteuropäischen und kleinasiatischen) Herkunfts- und Verbreitungsgebiet zusammenhängen. Die Wärme-Frost-Hypothese erklärt Schwankungen der SPIn bei den Frühblühern zwischen Jahren mit Kältestimulierung und Wärmejahren mit frühem Blühbeginn ohne Kältereize. Das Jahr 2003 weist die höchsten SPIn von Erle und Birke auf. Solche pollenreichen Jahre ("Mastjahre") lassen sich durch einen Synergieeffekt aus verstärkter präsaisonaler Kältestimulierung der Pollenproduktion und einem stärkeren Knospenansatz im Vorjahr erklären [30]. Steigende Wärme während der Pollensaison verlängert - wie auch bei Hasel und Erle - die PF-Dauer der Birke. Hitze in Kombination mit ausgeprägter Niederschlagsarmut (Dürre) wie 2018 verkürzen diese andererseits. Dies ist für die Intensität der Birkenpollenbelastung in überhitzten urbanen Gebieten von Bedeutung. Im Gegensatz zu den präsaisonalen meteorologischen Bedingungen, die primär die Pollenintensität der Frühblüher steuern, spielt zum Beispiel Wärme während des Pollenflugs statistisch für die SPIn nur eine untergeordnete, modifizierende Rolle.

Die Gräser zeigten 2018 den frühesten PF-Beginn. Der Grund wird in der Trockenheit und auffällig warmen Temperaturen im April gesehen. Die niedrigste RF 2018 reflektiert das Verhältnis beider. Nicht nur, dass über 26 Jahre die kumulierte RF kontinuierlich gefallen ist, erweist sich RF_kumul auch als bester Prädiktor für den PF-Beginn der Gräser. Bei multivariater Analyse dominiert RF_kumul den PF-beginn sosehr, dass die beiden anderen Einflussfaktoren, MTW_kumul und NS_kumul unbedeutend werden. Nässe, kombiniert mit Wärme, schiebt dagegen den Blühbeginn nach hinten. Von 1994 bis 2018 nahmen sowohl die Gesamtzahl (SPIn) als auch die Konzentrationen der Haupt-Pollen-Peaks der Gräser linear ab. Bei polynomer Regression zeigt sich ein biphasischer Verlauf mit einer Stabilisierung beider Parameter auf niedrigerem Niveau zwischen 2006 bis 2018. Anstelle längerer Regenperioden, welche die Pollenkonzentrationen allgemein senken, traten 2018 episodische Niederschläge, wie sie für die Klimaerwärmung prognostiziert werden [31]. Diese können das Graswachstum und die Pollenproduktion in den Folgetagen stimulieren [32, 33] und Produktionsverluste infolge Trockenheit beziehungsweise Dürre, zumindest teilweise, kompensieren. Kompensation könnte die Stabilisierung der Gräser-SPIn während der jüngeren Klimaerwärmung erklären. Die Blühdauer der Gräser blieb über die Jahre relativ konstant. Dementsprechend hatte der frühe Blühbeginn der Gräser 2018 auch ein früheres Blühende zur Folge. Dies entspricht der Blühphasen-Hypothese (siehe oben), dass ein früher Frühling ein frühes Vegetationsende im Herbst nach sich zieht [11].

Trotz Jahreserwärmung im letzten Vierteljahrhundert und gestiegener CO₂-Luftkonzentrationen haben die Pollenkonzentrationen von Hasel, Erle, Birke und Gräsern bei Trendanalyse mehrheitlich nicht zu-, sondern abgenommen. Die Zunahme der Pollenallergie sowie der Prävalenz der Sensibilisierung vor allem bei jungen Menschen [34] können damit nicht unmittelbar auf die Klimaerwärmung zurückgeführt werden, sondern müssen in anderen Ursachen gesucht werden. Dafür kommen mehrere Faktoren beziehungsweise Faktorenkomplexe infrage: aerogene, zum Beispiel Luftverunreinigung, Allergenalteration sowie toxische oder kombiniert toxisch-allergische Effekte auf Menschen und Pflanzen, die wiederum selbst in Zusammenhang mit der Klimaveränderung stehen können, etwa NOx, O3, VOC (Stickstoffoxide, Ozon, volatile organische Komponenten) [35, 36, 37], oder ein urbaner Lebensraum. Daneben ist auch eine Reihe anderer non-aerogener Sensibilisierungs- und Reaktionsverstärker wahrscheinlich.