Water balance and productivity of a Mediterranean oak woodland : Quantifying understory vegetation impacts by development of a stable oxygen isotope partitioning approach

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Dubbert, Maren:
Water balance and productivity of a Mediterranean oak woodland : Quantifying understory vegetation impacts by development of a stable oxygen isotope partitioning approach.
Bayreuth , 2014 . - XXV, 258, VI S.
( Dissertation, 2014 , Universität Bayreuth, Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften)

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Abstract

Semi-arid ecosystems cover large areas world-wide and contribute about 40% to global gross primary production (GPP). The major driving factor of GPP in these ecosystems is water availability; since annual precipitation pattern show periodical summer droughts and evapotranspiration losses are high. Hence, understanding seasonal vegetation-soil-water feedbacks is vitally important. This thesis aims at disentangling vegetation impacts on water and carbon cycling of a Mediterranean savanna-type oak woodland. Special focus was laid on the seasonal understory impact on net ecosystem fluxes, soil water distribution and tree-understory interactions. Moreover, the impact of altered precipitation pattern and drought intensity on ecosystem functioning was assessed, as these phenomena are predicted to increase by climate change scenarios in these ecosystems.
To achieve these aims, classical ecophysiological measurements, plant community and structural observations as well as eddy-covariance technique were combined with a novel stable oxygen isotope partitioning approach.
Stable oxygen isotopes are valuable tracers for water movements within the ecosystem, but due to methodological restrictions in the past, it was necessary to validate modeling approaches and derive field sampling protocols for model input parameters. Therefore, a measurement set-up was developed coupling branch and soil chambers with an H2O laser spectrometer, enabling direct, high frequent measurements of δ18O signatures of evaporative fluxes and, to my best knowledge, the first validation of the Craig and Gordon model under heterogeneous field conditions. Thereby it was possible to assess multiple effects of understory vegetation on ecosystem water cycle and productivity. Although understory transpiration strongly contributed to ecosystem evapotranspiration, beneficial effects of the understory vegetation were dominant as herbaceous biomass strongly increased rain infiltration, diminished soil evaporation and significantly added to the ecosystem carbon sink strength. However, the understory was also vulnerable towards drought: development, species composition, transpiration and carbon gain of the understory plants were strongly influenced by competition for water with cork-oak trees which shortened the understory longevity and reduced the overall understory productivity in spring.
 
The years 2011 and 2012, contrasting in annual precipitation amount and pattern, offered an ideal opportunity to study effects of drought on ecosystem functioning. The pronounced winter/spring drought and reduced precipitation in 2012 led to strongly reduced development of the understory layer. Ecosystem carbon sink strength and net ecosystem evapotranspiration were severely reduced and more water was used by the ecosystem through evapotranspiration than was introduced by precipitation in 2012. Decreased ecosystem productivity was caused by stomatal regulations and decreased maximum carboxylation rate (Vcmax) of cork-oaks. Moreover, the drought in 2012 led to strong alterations in tree phenology: annual tree diameter increment and fruit production were severely reduced.
These findings suggest that the herbaceous understory, although vulnerable to drought, plays a vitally important role for ecosystem fluxes, rain infiltration and hence also cork-oak productivity and ecosystem resilience towards drought. At the same time, the increased drought and altered precipitation pattern predicted in future climate change scenarios for the Mediterranean basin does not only threaten understory development and annual cork growth. It also very likely decreases rain infiltration and ground water recharge, which in turn can severely affect cork-oak productivity and the resilience of the ecosystem towards drought.

Abstract in weiterer Sprache

Semiaride Ökosysteme tragen etwa 40% zur globalen Brutto-Primär-Produktion (GPP) bei und bedecken große Teile der weltweiten Landmasse. Wasserverfügbarkeit ist einer der wichtigsten limitierenden Faktoren für GPP; insbesondere, da die jahreszeitlichen Niederschlagsdynamiken zu periodischen Sommerdürren führen und die Wasserverluste durch Evapotranspiration hoch sind. Daher ist ein Verständnis saisonaler Wechselwirkungen zwischen Vegetation, Boden und Wasser von fundamentaler Bedeutung. Das Hauptziel dieser Doktorarbeit ist die Aufschlüsselung von Vegetationseinflüssen auf den Wasser- und Kohlenstoffhaushalt eines mediterranen savannenartig strukturierten Eichenwaldes. Ein spezieller Fokus liegt dabei auf dem saisonalen Einfluss des Unterwuchses auf Ökosystemflüsse, Bodenwasserverteilung und auf Wechselwirkungen mit der Baumschicht. Außerdem wurde der Einfluss veränderter Niederschlagsdynamiken auf Nettoflüsse und Produktivität des Ökosystems untersucht, da eine Zunahme von Trockenstressperioden durch Klimawandelmodellen vorhergesagt wird.
Um diese Fragen zu untersuchen, wurden klassische ökophysiologische Messungen, pflanzengesellschaftliche und strukturelle Vegetationsaufnahmen und die Eddy-Kovarianz-Technik kombiniert und basierend auf den Eigenschaften stabiler Sauerstoff-Isotopen ein neuartiger Partitionierungsansatz entwickelt.
Stabile Sauerstoff-Isotope sind wertvolle Indikatoren für Wasserbewegungen innerhalb eines Ökosystems. Bisher unterlag der Einsatz stabiler Sauerstoff-Isotope für ökologische Untersuchungen technischen Einschränkungen. Deshalb wurden im Zuge dieser Arbeit verbreitete Modellansätze validiert und Freiland-Messprotokolle für deren Eingangsparameter erarbeitet. In einem ersten Schritt wurde dafür ein Messaufbau entwickelt, bei dem Gaswechselkammern auf verschiedenen Ebenen mit einem H2O-Laser-Spektrometer gekoppelt wurden, um eine direkte, hochfrequente Messung der δ18O Signaturen evaporativer Flüsse zu ermöglichen und die erste Validierung des Craig-und-Gordon-Modells unter heterogenen Freilandbedingungen durchzuführen. So konnten verschiedener Effekte der Unterwuchsvegetation auf den Wasserhaushalt und die Produktivität des Ökosystems ermittelt werden. Insgesamt trug die Transpiration des Unterwuchses stark zur Evapotranspiration des Ökosystems bei. Dennoch waren vorteilhafte Effekte dominant: die Biomasse des krautigen Unterwuchses erhöhte in starkem Ausmaß die Niederschlagsinfiltration, unterdrückte die Bodenevaporation und trug signifikant zur Funktion des Ökosystems als Kohlenstoffsenke bei. Andererseits zeigte die Unterwuchsvegetation eine starke Sensitivität gegenüber Trockenheit, da ihr Biomassezuwachs, ihre Artenzusammensetzung, Transpiration und Kohlestoffaufnahme durch Wasserkonkurrenz mit Korkeichen limitiert war. Dies führte zu einer verkürzten Vegetationsperiode und reduzierte die Kohlenstoffaufnahme im gesamten Frühjahr.
Die Jahre 2011 und 2012 unterschieden sich signifikant hinsichtlich der absoluten Niederschlagsmenge und -verteilung, so dass diese Zeit eine ideale Gelegenheit bot, den Einfluss von Trockenheit und veränderten Niederschlagsdynamiken auf das Ökosystem zu untersuchen. Die Winter/Frühjahrstrockenheit in 2012 verhinderte die Entwicklung des Unterwuchses und die Kohlenstoffaufnahme und Evapotranspiration des Ökosystems waren stark vermindert. Zudem verlor das Ökosystem im trockenen Jahr 2012 mehr Wasser durch Evapotranspiration als durch Niederschläge zugeführt wurde. Die verminderte Ökosystem-Produktivität im Sommer 2012 wurde hauptsächlich durch stomatäre Regulation und verminderte maximale Carboxilierungsrate (Vcmax) der Korkeichen verursacht, während die gesamte Blattfläche stabil geblieben ist. Desweiteren zeigten sich starke Einbußen in Fruchtproduktion und Stammzuwachs, was für die Korkproduktion von wirtschaftlicher Bedeutung ist.
Die Ergebnisse dieser Arbeit weisen darauf hin, dass der krautige Unterwuchs, trotz seiner Dürreanfälligkeit, eine entscheidende Rolle für die Entwicklung der Kohlenstoff- und Wasserflüsse des Ökosystems und für die Niederschlagsinfiltration spielt, was wiederum die Produktivität der Korkeichen und die Resilienz des Ökosystems gegenüber Trockenheit beeinflusst. Gleichzeitig, schädigen verstärkte Trockenheit und veränderte Niederschlagsverteilung, wie sie durch Klimawandelprognosen für den Mittelmeerraum vorausgesagt werden, nicht nur die Entwicklung des Unterwuchses und die Korkproduktion. Vielmehr sind negative Auswirkungen auf die Niederschlagsinfiltration und die Grundwasserneubildung sehr wahrscheinlich, was zu langfristigen und anhaltenden Konsequenzen für die Produktivität und die Resilienz des Ökosystems gegenüber Trockenheit führen kann.