Sensitivity of planted European beech saplings to soil drought

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Zang, Ulrich:
Sensitivity of planted European beech saplings to soil drought.
Bayreuth , 2014 . - VIII, 155 S.
( Dissertation, 2014 , Universität Bayreuth, Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften)

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Abstract

Im Kontext des Klimawandels ist die Erforschung von möglichen Trockenheitsreaktionen der Rotbuche, insbesondere von gepflanzten Jungbäumen im Stadium der Etablierung im Waldbestand, von fundamentaler waldbaulicher Bedeutung.
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden die Auswirkungen von Trockenheit auf morphologische, physiologische und chemische Parameter gepflanzter Jungbuchen untersucht. Weiterhin wurde ein quantitatives Trockenheitsmaß erarbeitet, welches eine allgemeingültige Darstellung von Dosis-Wirkungs-Beziehungen hinsichtlich Trockenstress ermöglichte.

In einem aufgelichteten Fichtenbestand wurden gepflanzte Jungbuchen durch Niederschlagsmanipulation über drei Vegetationsperioden verschiedenen Trockenheitsintensitäten ausgesetzt. Zusätzlich wurden zwei Experimente durchgeführt, im Rahmen welcher in Rhizoboxen bzw. Container gepflanzte Jungbuchen unterschiedlicher
Bodenwasserverfügbarkeit unterlagen. Das Bodenwasserpotential im Wurzelraum wurde regelmäßig erfasst. Mittels kontinuierlicher FDR-Messungen
konnte der zeitliche Verlauf des Bodenwasserpotentials für jede Jungbuche zudem individuell modelliert werden. Als Trockenheitsmaß wurde das kumulative Bodenwasserpotential
(Trockenstressdosis, DSD) herangezogen und mit einer Vielzahl von Pflanzenparametern (Wachstum, Physiologie, Morphologie, Ernährungszustand, Gehalt nicht-struktureller Kohlenhydrate, Kohlenstoff-Allokation usw.) in
Beziehung gesetzt. In die statistische Analyse wurden neben DSD gegebenenfalls die individuelle Lichtexposition sowie allometrische Aspekte als Kovariaten miteinbezogen.

DSD korrelierte mit δ13C in Respirationsflüssen und anderen Pflanzenparametern; als sofortige Trockenheitsreaktion zeigte sich bei gestressten Pflanzen eine Verringerung
von Photosyntheserate und stomatärer Leitfähigkeit. Ebenso wurde der Assimilattransport gehemmt, was durch eine Erhöhung der mittleren Verweilzeit rezenten Kohlenstoffs in Blättern und dessen zeitverzögertem Auftreten in der Bodenrespiration gezeigt wurde. Insgesamt wurde die Rhizosphärenrespiration unter starkem Trockenstress um 50% reduziert, während das Wurzel/Spross-Verhältnis generell anwuchs. Diese Befunde erklären den gehemmten Radialzuwachs der Jungbuchen mit steigender DSD und spiegeln ein verändertes C-Allokationsmuster unter Trockenstress wider. Die Sensitivität von Photosynthese und Zuwachs gegenüber DSD nahm jedoch im Verlauf der drei Jahre nach der Pflanzung stetig ab, was auf effziente Akklimatisierungsprozesse, insbesondere hinsichtlich der
Wurzel- und Sprossmorphologie, zurückzuführen ist: So ermöglichten z. B. die Erhöhung der Durchwurzelungstiefe und die Verminderung der spezifischen Blattfläche eine Intensivierung der Bodenerschließung bzw. eine Reduktion von Transpirationsverlusten. Nicht-lineare Reaktionen wurden beispielsweise beim Feinwurzelwachstum beobachtet, welches unter moderater Trockenheit stimuliert wurde, unter starkem Trockenstress jedoch zum Erliegen kam. Trockenheitsinduzierte Veränderungen im Gehalt nicht-struktureller Kohlenhydrate wiesen teilweise auf eine C-Limitierung der Pflanzen hin. Der Ernährungszustand der Jungbuchen spiegelte reduzierte Nährstoffmobilität unter Trockenbedingungen wider. Wiederbefeuchtung nach Trockenstress führte zu einer raschen Erholung der am Assimilattransport beteiligten Prozesse, was aus der Dynamik von Label-bürtigem 13C in Respirationsflüssen gefolgert wurde. Persistente Trockenheitseffekte, die anhand
von 13C-Partitionierungsmustern aufgedeckt wurden, wurden Reparaturprozessen zugeschrieben, jedoch insgeamt als gering eingeschätzt. Die multivariate Analyse konnte einige Parameter als Indikatoren für rezenten Trockenstress (z. B. C/N-Verhältnis in Blättern) oder vorangegangene Trockenperioden (z. B. spezifische Blattfläche) identifizieren, während andere eher das Langzeitmittel der Bodentrockenheit widerspiegelten (z. B. C/N-Verhältnis in Feinwurzeln, Anteil mykorrhizierter Wurzelspitzen).

Insgesamt wiesen die Jungbuchen eine hohe Resilienz gegenüber Trockenheit auf, welche auf einem ausgeprägten Akklimatisierungspotential, vor allem der Morphologie,
gründet. Zudem besitzt die Trockenstressdosis als erklärende Variable eine große physiologische Aussagekraft.

Abstract in weiterer Sprache

In view of climate change, the assessment of drought responses of European beech, particularly of planted saplings during the period of establishment in the stand, is
of crucial importance for present silvicultural practice. In this thesis, experiments were performed to study the effects of soil drought on physiological, morphological and chemical traits of planted beech saplings. Further, a drought measure was developed allowing for quantitative evaluation of drought responses.

In a thinned Norway spruce stand, planted beech saplings were subjected to different levels of drought stress by throughfall manipulation during three growing seasons. Two further experiments were carried out with saplings growing in closed rhizotron boxes and in 20 l containers that also were exposed to different levels of soil water availability. Soil water potential was regularly measured in the rooted soil. For each sapling, the time course of soil water potential during the growing seasons was modeled based on FDR measurements. Cumulated soil water potential drought stress dose, DSD) was employed as a quantitative measure for drought. The sensitivity of plant parameters as growth, physiology, morphology, nutritional status, non-structural carbohydrates, C allocation, etc. to soil drought was estimated using DSD as explanatory variable. Individual light exposure as well as allometric changes were considered as covariates.

DSD correlated with δ13C in respiratory C fluxes and other plant parameters. As instantaneous drought responses, photosynthesis and stomatal conductance were reduced with decreasing soil water potential. A significant increase of mean residence times of recently fixed C in leaves and its delayed occurrence in soil respiration was observed with increasing drought, pointing to hampered within-plant
assimilate transportation. Rhizosphere respiration was reduced by 50% under most severe drought, while root/shoot-ratio increased. These observations explain the decrease of radial growth with increasing DSD and a shift in resource allocation under drought. The sensitivity of photosynthesis and growth to soil drought decreased during the three years after transplantation pointing to effective acclimation processes. Acclimation of root and shoot morphological parameters led to enhanced soil exploitation and reduced water loss by transpiration as indicated
e.g. by increasing rooting depth and decreasing specific leaf area with increasing drought. Non-linear drought responses were identified for root growth which was
stimulated by moderate drought and hampered by severe drought. Changes in non-structural carbohydrates partly indicated C limitation under drought. Nutritional status of drought-stressed beech saplings mostly displayed hampered
nutrient uptake. Rewetting led to a fast recovery of assimilate transportation as indicated by label-derived 13C in respiratory C fluxes. Persistent effects of drought
as revealed by differences in 13C partitioning were ascribed to repair processes, but generally considered as small. Whereas some parameters were found to be indicative for recent (e.g. C/N-ratio in leaves) or former drought events (e.g. specific leaf area), others reflected the long-term average of soil drought (e.g. C/N-ratio in fine roots, abundance of mycorrhizal root tips).

It is concluded that beech saplings have a high resilience to soil drought due to effcient acclimation processes, especially of morphological traits. The drought stress dose as explanatory variable exhibited a considerable physiological relevance.