Plant growth responses to winter climate change: from amongand within-species variation to plant-soil interactions

Titelangaben

Malyshev, Andrey:
Plant growth responses to winter climate change: from amongand within-species variation to plant-soil interactions.
Bayreuth , 2015 . - III, 191 S.
( Dissertation, 2015 , Universität Bayreuth, Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften)

Volltext

Link zum Volltext (externe URL):

Abstract

Winter climate change is a complex phenomenon, with snow depth, soil freezing
dynamics, and variable air temperature all interacting to bring about differences in among- and
within-species growth responses. The objective was to detect growth differences in the responses
of species, ecotypes and plant functional groups to winter processes impacted by warmer
temperatures. Therefore, experiments were carried out to simulate winter warming and to study
its effects on cold acclimation and deacclimation, dormancy loss and frost tolerance. Amongspecies
variation was then compared with within-species variation to determine if a species could
be largely treated as a single response unit under different climatic extremes. Plant-soil
interactions were also explored to gain a more complete understanding of factors directly
impacting plant responses to winter warming. Three in situ experiments, simulating winter
warming for different durations and at different amplitudes were conducted for this purpose. Two
main questions were posed: (1) what generalities can be found among species- and ecotypespecific
plant responses to winter warming simulated under different environmental conditions?
(2) what is the role of within species variation in predicting plant responses to climate warming?
Generalities were found among species (relating dormancy depth and its rate of decrease
with the passing of winter), within species (latitudinal grass ecotypes showed similar north-south
cold acclimation differences as previously shown in trees) and in plant-soil interactions (plant
community composition played a major role in N uptake and leaching following prolonged
warming and increased temperature variability). This shows that even with high ecotypic and
species diversity, experimental biology can provide answers, which apply across species,
functional types and experimental conditions. Across several tree species and grass ecotypes the
sensitivity to changes in photoperiod was found to influence the effect of temperature on growth
cessation and resumption. Photoperiod sensitivity is therefore an important characteristic of
plants related to the ability to extend the growing season and resume growth during sudden
midwinter warm spells.
With respect to the novel comparison of within-species variation to among-species
variation under stress, evidence was found against treating a species as a uniform unit, in terms of
its climate change responses, across its distribution. Multiple implications and applications of
189
high within-species variation are possible. Firstly, the ability of food crop species and species
declining in abundance to adapt to warmer temperatures may be improved with assisted
migration of better-adapted ecotypes. Secondly, incorporation of within-species variation into
models should enable more accurate projections of species distribution changes. Thirdly,
preventing extinction and conserving biodiversity can be supplemented by increasing the
ecotypic diversity of an area. This way, potentially undesirable side effects from species
introductions can be bypassed. For future experiments, this means that the factors which
contribute to development of ecotypes should be researched further. Additionally, plant
communities with varying degrees of ecotypic and species diversity should be compared in terms
of their resilience to climate change impacts.

Abstract in weiterer Sprache

Winterklimawandel ist ein komplexes Phänomen, wobei veränderte Schneetiefe,
Bodenfrostdynamik und variable Lufttemperaturen miteinander interagieren und zu
unterschiedlichen Wachstumsreaktionen führen. Ziel der vorliegenden Arbeit war es,
Unterschiede dieser Wachstumsreaktionen auf wärmere Wintertemperaturen in verschiedenen
Arten, Ökotypen und funktionellen Pflanzengruppen herauszufinden. Hierfür wurden in
Versuchen Wintererwärmung simuliert und die Auswirkung auf Kälteakklimatisierung, De-
Akklimatisierung, Dormanzverlust und Frosttoleranz untersucht. Die Variationen zwischen den
Arten und innerhalb der Arten wurde miteinander verglichen, um bestimmen zu können, ob eine
Art weitgehend als einheitliche Reaktionseinheit unter unterschiedlichen Klimaextremen
behandelt werden kann. Die Interaktionen von Pflanzen und Boden wurden ebenfalls untersucht,
um ein besseres Verständnis der Faktoren, die die Reaktionen der Pflanzen auf Wintererwärmung
beeinflussen, zu erhalten. Zu diesem Zweck wurden drei in situ Experimente durchgeführt, in
denen Wintererwärmung in unterschiedlichen Zeiträumen und Amplituden simuliert wurde. Zwei
zentrale Fragen wurden aufgestellt: (1) Welche allgemeingültigen Regeln können für pflanzenartund
ökotypspezifische Reaktionen auf Wintererwärmung unter unterschiedlichen
Umweltbedingungen abgeleitet werden? (2) welche Rolle spielen Variationen innerhalb der
Arten bei der Vorhersage von Pflanzenreaktionen auf den Klimawandel?
Solche allgemeingültigen Regeln konnten abgeleitet werden. So wurde im Vergleich der
Arten untereinander eine enge Abhängigkeit zwischen der Dormanztiefe und dem
Dormanzverlustrate zum Ende des Winters festgestellt. Innerhalb der Arten fanden sich für
Grasökotypen ähnliche breitengradabhängige Unterschiede in der Kälteakklimatisierung, wie sie
für Bäume bereits bekannt waren. Bezüglich der Pflanze-Boden-Interaktionen konnte
nachgewiesen werden, dass die Zusammensetzung der Pflanzengemeinschaft eine
entscheidende Rolle bei der Stickstoffaufnahme und -auswaschung nach längeren winterlichen
Wärmephasen und erhöhter Temperaturvariabilität spielt. Diese Beispiele zeigen, dass trotz
ökotypischer und zwischenartlicher Variabilität die experimentelle Ökologie Antworten
geben kann, die generell über die einzelnen Arten, funktionelle Typen und Versuchsstandorte
hinaus gelten. Darüber hinaus stellte sich heraus, dass die Photoperiode ebenfalls eine
wichtige Rolle für die Beendigung sowie für die Wiederaufnahme des Wachstums bei einigen
191
Baumarten und Grasökotypen spielt. Die Sensitivität der Pflanzen für die Tagelänge in
Hinblick auf ihre Dormanz ist deshalb ein wichtiges Merkmal der Pflanzen in Bezug auf ihre
Fähigkeit, bei plötzlich einsetzenden Wärmeperionden im Winter und frühere warme Temperatur
in der Frühling die Vegetationsperiode zu verlängern.
In Bezug auf den neuartigen Vergleich von innerartlicher und zwischenartlicher
Variabilität unter Stress zeigen die Ergebnisse, dass die Behandlung einer Art als eine
einheitliche Einheit über ihr gesamtes Verbreitungsgebiet in Bezug auf ihre Reaktionen
gegenüber dem Klimawandel zu kurz greift. Aus der hohen innerartliche Variation ergeben sich
mehrere Schlussfolgerungen und Anwendungen. Erstens, die Anpassungsfähigkeit von
Nutzpflanzen oder rückläufigen Arten an wärmeren Temperaturen kann verbessert werden durch
unterstützte Migration von besser angepassten Ökotypen. Zweitens, der Einbau von innerartlicher
Variabilität in Artverbreitungsmodelle wird genauere Prognosen für zukünftige
Arealveränderungen ermöglichen. Drittens, die Bemühungen zur Vermeidung des Aussterbens
von Pflanzenarten und zum Erhalt einer hohen Biodiversität können durch eine Erhöhung der
ökotypischen Vielfalt in einem Gebiet unterstützt werden. Auf diese Weise können potentiell
unerwünschte Nebenwirkungen von Arteneinführungen vermieden werden. Die Entwicklung von
Ökotypen und ihre Faktoren bedürfen darum weiterer wissenschaftlicher Untersuchungen.
Darüber hinaus sollten Pflanzengemeinschaften mit unterschiedlicher Diversität der Arten und
Ökotypen in ihrer Widerstandsfähigkeit gegenüber den Auswirkungen des Klimawandels
verglichen werden.