Integrated analysis of relationships between 3D structure, leaf photosynthesis, and branch transpiration of mature Fagus sylvatica and Quercus petraea trees in a mixed forest stand

Titelangaben

Fleck, Stefan:
Integrated analysis of relationships between 3D structure, leaf photosynthesis, and branch transpiration of mature Fagus sylvatica and Quercus petraea trees in a mixed forest stand.
Bayreuth : Bayreuther Inst. für Terrestrische Ökosystemforschung , 2002 . - 183 S. - (Bayreuther Forum Ökologie ; 97 )
( Dissertation, 2001 , Universität Bayreuth, Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften)

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Abstract

Identifying the relevance of forest structure for stand photosynthesis and transpiration is one of the remaining challenges in plant physiological ecology. This thesis uses the historically new chances for the description of 3D-complexity of beech and oak forests that come along with the rapid developments in information technology: It gives a comprehensive description of measured structural features of both species and evaluates and visualizes them with a branch-oriented polyhedra-based 3D-representation (CRISTO). This allows for the first time the proof of a naturally layered structure of Fagus sylvatica and Quercus petraea canopies, as well as the quantification of gap volumes of horizontal layers. The structure description is combined with the measured variability of physiologically relevant leaf parameters throughout the single canopies. A historical trend towards increasing leaf mass per area (LMA)-values is detected from literature. Using LMA and nitrogen content as drivers, a new nitrogen dependent leaf photosynthesis model is designed and validated from A/Ci curves and daily courses of leaf photosynthesis. These measurements have been perormed on standing trees using a high-lift. The program RACCIA allows for the automated derivation of photosynthesis parameters for this model from A/Ci-curves. Leaf properties and 3D-structure are used in the 3D-light model STANDFLUX-SECTORS, which is capble to use a 3D-simulation of the same stand in an unprecedented high resolution and was validated with the LMA-light relationship from another stand. The combined evaluation of the simulated radiation distribution with sapflow measurements on single branches indicates a typical pattern of light sensitivity of transpiration that is interpreted in terms of species-specific ecological specialization.

Abstract in weiterer Sprache

Die Bedeutung der 3D-Kronenstruktur von Bäumen für Bestandesphotosynhtese und -transpiration ist eine der letzten großen Ungewissheiten in der Ökophyisiologie von Pflanzen. Diese Dissertation nutzt die historisch neuen Chancen, die sich aus der schnellen Entwicklung der Informationstechnologie ergeben, für die detaillierte Beschreibung der räumichen Komplexität von Buchen-Eichen-Mischwäldern. Sie enthält eine umfassende Sammlung von gemessenen Struktureigenschaften beider Arten sowie deren Auswertung und Visualisierung mit einer Ast-orientierten polyeder-basierten Visualisierungsmethode (CRISTO). Hierdurch konnte erstmals der natürliche räumliche Schichtenaufbau der Baumkronen von Fagus sylvatica und Quercus petraea nachgewiesen werden. Die Strukturbeschreibung wird kombiniert mit der gemessenen Variabilität von physiologisch relevanten Blattparametern in den Kronendächern. Ein historischer Trend zu zunehmenden flächenspezifischen Blattmassen (LMA) wird aus Literaturdaten abgeleitet. Weiterhin wird ein Stickstoff-abhängiges Photosynthesemodell mit LMA und Blattstickstoff als Treibervariablen vorgestellt und mit A/Ci-Kurven und Tagesgängen der Blattphotosynthese validiert. Diese Messungen wurden von einem Hubwagen aus an stehenden Bäumen durchgeführt. Das Programm RACCIA ermöglicht die automatische Herleitung von Photosyntheseparametern für das Modell aus A/Ci-Kurven. Blatteigenschaften und Kronenstruktur werden im 3D-Lichtmodell STANDFLUX-SECTORS verwendet, mit welchem eine 3D-Simulation desselben Mischbestands im Steigerwald in einer bisher nicht möglich gewesenen Auflösung durchgeführt und validiert werden konnte. Hierzu wurde das Verhältnis zwischen LMA und Strahlung aus einem anderen Bestand verwendet. Die kombinierte Auswertung der simulierten Strahlungsverteilung mit Saftflussmessungen an einzelnen Hauptästen zeigt ein typisches Muster der Lichtsensitivität der Transpiration, das im Sinne einer artspezifischen Spezialisierung interpretiert wird.