Canopy transpiration of beech forests in Northern Bavaria – Structure and function in pure and mixed stands with oak at colline and montane sites

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Schmidt, Markus:
Canopy transpiration of beech forests in Northern Bavaria – Structure and function in pure and mixed stands with oak at colline and montane sites.
Bayreuth , 2007
( Dissertation, 2008 , Universität Bayreuth, Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften)

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Abstract

Mixed stands of broadleaved deciduous tree species are increasing in importance in Bavaria and all of Germany, especially in the context of climate change, forest conversion and sustainable forestry. Very few investigations to date have quantified the canopy transpiration of mixed forest stands, and particularly of mixed stands of European beech and sessile oak. This study shows results of transpiration on different spatial-structural scales (within-tree, whole-tree and stand level) as estimated from xylem sap flow measurements, in two mixed stands in the colline-submontane Steigerwald, a pure beech plot in the Steigerwald and a montane pure beech stand in the Fichtelgebirge in Northern Bavaria. Both the short-term control on transpiration via environmental drivers and longer-term control via structural drivers were analysed. Assessed structural characteristics were stem diameter, tree height, stand density, basal area, sapwood area and leaf area index LAI. At the within-tree level the axial xylem sap flow density, Js, declined radially from outer to inner sapwood in beech. This decrease was stronger in small trees than in large trees. Js at any sapwood depth increased with stem diameter. In oak a significant correlation of Js with stem diameter was only observed in the oak-rich stand. Js in the outer sapwood was the same order of magnitude in beech and oak at a given stem diameter. The seasonal maximum daily whole-tree water use, Qt max, of all studied beech trees was influenced positively but non-linearly by stem diameter, leaf area and sapwood area, whereas in oaks such correlations were weaker. The maximum tree water use per unit leaf area increased with tree height in beech. In oak, values were smaller and followed an opposite trend. At the stand level and at comparable LAI or basal area, maximum daily and seasonal rates of canopy transpiration for the mixed stands in the Steigerwald were 2.3 to 2.7 mm per day and 166 to 217 mm per season, while the highest rates, observed in the pure beech plot in the Steigerwald, reached up to 4.4 mm per day and 349 mm per season. Among the mixed stands, Ec increased with a higher contribution of beech to stand level LAI or sapwood area, As. Maximum daily canopy transpiration, Ec max, increased with increasing LAI. Ec max also increased with As and saturated at the highest values of As observed in the pure beech plots. The pattern of the highest values of maximum diurnal canopy conductance among the sites and species studied reflected that of Ec max. At the higher elevation site in the Fichtelgebirge beech trees with comparable stem diameter achieved rates of Js and Qt max similar to those at the lower elevation site in the Steigerwald. Also at the stand level, the two sites with similar LAI compared well regarding Ec max. The high elevation stand transpired about 120 mm less over the whole season. The results show that systematic relationships exist between structure and function in pure beech stands and in mixed stands with oak; at the within-tree, the whole-tree and the stand level.

Abstract in weiterer Sprache

Mischwälder aus standortsgerechten Laubbaumarten erlangen zunehmende Bedeutung in Bayern und ganz Deutschland, insbesondere vor dem Hintergrund der Klimaänderungen im Rahmen des Waldumbaus und einer nachhaltigen Forstwirtschaft. Nur wenige Untersuchungen haben bisher jedoch die Kronendachtranspiration von Mischwäldern und speziell Rotbuchen-Traubeneichen-Beständen quantifiziert. Die vorliegende Arbeit liefert hierzu einen wichtigen Beitrag und zeigt Ergebnisse der Transpiration auf verschiedenen räumlich-strukturellen Skalen (Baum-intern, Baumebene, Bestandesebene), wie sie mittels Xylemsaftfluss-Methodik in zwei Mischbeständen im kollin-submontanen Steigerwald, einer reinen Buchenfläche im Steigerwald sowie einem montanen Buchenreinbestand im Fichtelgebirge in Nordbayern geschätzt wurde. Sowohl der kurzfristig steuernde Einfluss von Umweltfaktoren als auch die längerfristige Kontrolle der Transpiration durch Struktureigenschaften wurde analysiert. Erfasste Strukturgrößen waren Stammdurchmesser, Baumhöhe, Bestandesdichte, Grundfläche, Splintfläche und Blattflächenindex (LAI). Auf der Baum-internen Ebene nahm die axiale Xylemsaftflussdichte (Js) in Buchen radial vom äußeren zum inneren Splintholz ab. Diese Abnahme war in kleinen Buchen ausgeprägter als in großen. Js stieg in jeder Splintholztiefe mit dem Stammdurchmesser an. Eine signifikante Korrelation von Js mit dem Stammdurchmesser wurde in Eichen nur im Eichen-reicheren Bestand beobachtet. Js im äußeren Splintholz lag bei beiden Arten für einen gegebenen Stammdurchmesser in der gleichen Größenordnung. Auf der Baumebene waren die Maxima der täglichen Einzelbaum-Transpiration (Qt max) aller untersuchten Buchen positiv aber nicht-linear mit dem Stammdurchmesser, der Blattfläche und der Splintfläche korreliert. Bei den Eichen dagegen waren diese Korrelationen gering. Der maximale Wasserverbrauch pro Einheit Blattfläche nahm in Buchen mit der Baumhöhe zu. In Eichen waren die Werte niedriger und folgten einem entgegengesetzten Trend. Auf der Bestandesebene lagen die täglichen Maxima der Kronendachtranspiration sowie die saisonalen Summen in den Mischbeständen bei vergleichbaren Blattflächenindices oder Bestandesgrundflächen bei 2,3 bis 2,7 mm pro Tag bzw. 166 bis 217 mm pro Saison, während die höchsten Raten mit 4,4 mm pro Tag und 349 mm pro Saison für die reine Buchenfläche im Steigerwald errechnet wurde. Die Kronendachtranspiration (Ec) stieg in den Mischbeständen mit zunehmendem Anteil von Buchen am Bestandes-LAI oder an der Bestandessplintfläche (As) an. Die maximale tägliche Kronendachtranspiration (Ec max) nahm mit steigendem LAI zu. Ec max stieg auch mit As an und sättigte in den Buchenreinbeständen bei den höchsten Werten von As. Die Reihenfolge der höchsten Werte der maximalen diurnalen Kronendachleitfähigkeit zwischen den untersuchten Beständen glich der der maximalen täglichen Kronendachtranspiration. Im höher gelegenen Bestand im Fichtelgebirge erreichten Buchen mit vergleichbarem Stammdurchmesser ähnliche Werte für Js und Qt max wie im tiefer gelegenen Steigerwald. Beide Bestände waren bei ähnlichem LAI auch auf der Bestandesebene bezüglich Ec max vergleichbar. Der höher gelegene Bestand erreichte über die gesamte Vegetationsperiode gesehen eine um etwa 120 mm niedrigere Transpirationssumme. Die Ergebnisse zeigen, dass systematische Beziehungen zwischen Struktur und Funktion in Buchenrein- und Buchen-Eichenmischbeständen existieren, und zwar auf der Baum-internen, der Einzelbaum- und der Bestandesebene.