Effects of climate change on plants and ecosystem functioning : Implications for managed temperate grasslands

Titelangaben

Arfin Khan, Mohammed Abu Sayed:
Effects of climate change on plants and ecosystem functioning : Implications for managed temperate grasslands.
Bayreuth , 2016 . - 208 S.
( Dissertation, 2016 , Universität Bayreuth, Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften)

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Abstract

Global climate change poses challenges to plants and ecosystem functioning. Grasslands have become a major study object in experimental biodiversity and climate impact studies. The great majority of the existing studies investigated the effects of climate change on productivity. However, studies on how climate change (such as 1000-year drought, high precipitation variability, seasonal warming, late frost in spring etc.) affects flowering phenology, plant physiology, community composition, legume facilitation, plant nitrogen (N) and soil N status in managed temperate grasslands are lacking. It is known that land management can improve performances of plants and ecosystem functions. Yet, the relative importance and potential of land management in buffering the negative impacts of climate change are largely unknown. In addition, the rain-out shelters used to study the ecological responses to climate change (mainly drought) are often criticized for creating micro-climatological artifacts, which may influence plant responses.
Thus, the main objectives of this thesis were (a) to investigate how selected plants and ecosystems respond to different aspects of climate change (e.g. seasonal warming, precipitation variability, winter rain addition, late frost, heavy rainfall and drought), (b) to investigate three potential land management options to buffer the negative impacts of climate change, and (c) to contribute to the advancing of climate change research by examining whether there are any methodological artifacts in ongoing climate manipulations experiments. To meet these three objectives, responses (mainly related to phenology, productivity, physiology, seedling emergence and N status) of selected plant species, their populations, artificial plant communities as well as a semi-natural managed temperate grassland ecosystem were investigated.
Seasonal (winter/summer) warming advanced flowering phenology and altered biomass production of early vs. late flowering species (manuscript 1). Onset of early flowering temperate grassland species was advanced by winter warming (4.9 days) more than by summer warming (2.3 days), while late flowering species were generally less sensitive to warming in either season. Flowering phenology was largely unaffected by experimental changes in precipitation regimes (manuscript 1). However, high precipitation variability during the growing season altered plant cover of early vs. late flowering species. Ecosystem productivity and legume facilitation increased under heavy rainfall compared to control (manuscript 2). Drought reduced plant physiological activities e.g. lower stomatal conductance, lower effective quantum yield, and lower leaf water potential (manuscript 6).
Drought effects on plants were altered by the presence of legume species (manuscript 2). Under drought, the presence of a legume species enhanced overall biomass production of three neighboring grassland species by 36% compared to the absence of legume. Species-specific legume facilitation effects were also detected: Arrhenatherum elatius was facilitated by legume presence under drought and heavy rainfall, Plantago lanceolata was facilitated only under heavy rainfall, and Holcus lanatus was facilitated only under control conditions. Positive effects of legume presence found under control also persisted under drought for plant and soil N.
European populations/provenances of grass species differed in plant N status under drought. Yet, populations from the wetter sites did not perform worse than presumably drought-adapted populations, indicating no evidence of local adaptation (manuscript 3). Variation in within-species responses was as high as variation in among-species responses under drought and late frost (manuscript 5). Within-species variation during the early life stages of Verbascum thapsus populations (a global plant invader) was detected as different germination and seedling emergence rates under the representative climates of seven biomes (manuscript 4). Furthermore, plant N status was altered by rewetting and harvest delay after drought (manuscript 3). Harvest delay after rewetting could not compensate the negative effects of drought on biomass production, but increased plant N concentration and N content.
A detailed quantification of micro-climatological artifacts showed that the strength of drought manipulation using the rain-out shelter technique was dependent on ambient weather conditions (manuscript 6). Plant responses were highly correlated to ambient micro-climate conditions. Therefore, relating drought responses to ambient micro-climatological parameters such as air temperature and vapor pressure deficit can facilitate meaningful interpretation and comparison of studies and of different responses of experimental droughts between years within single studies. Furthermore, rain-out shelters altered temperature and reduced radiation inside the shelter. However, these micro-climatological artifacts had no significant effects on growth responses of grassland plants. Thus, fixed rainout shelters remain a useful tool for ecological drought manipulation experiments.
In summary, the present thesis provides evidence on how climate change affects selected plant species and ecosystem functions in managed temperate grasslands. The findings of this thesis have practical implications for grassland ecosystem management in the face of climate change. For instance, negative drought effects can be minimized by legume presence and by rewetting combined with harvest delay. Results show strong differences in population-specific responses to extreme climatic conditions. However, climatic origin of populations cannot predict these response variations. Therefore, increasing within-species diversity (or population mixtures) may help maintain plant productivity and N nutrition in the face of climate change.

Abstract in weiterer Sprache

Der globale Wandel stellt Pflanzen sowie Ökosysteme und die damit verbundene Bereitstellung von Ökosystemdienstleistungen vor eine Herausforderung. Grasländer haben sich innerhalb der Disziplinen Biodiversitätsforschung, sowie Klimawandeleffektforschung als eines der Hauptforschungsobjekte herausgestellt. Der Großteil der bestehenden Studien beschäftigt sich mit den Auswirkungen des Klimawandels auf die Produktivität solcher Grasländer. Jedoch sind Studien in denen der Frage nach den Auswirkungen des Klimawandels (z.B. Dürre, hohe Niederschlagsvariation, Bodenerwärmung, Spätfrost im Frühjahr etc.) auf differenziertere ökologische Parameter, wie z.B. Phänologie, Physiologie, Artzusammensetzung, Wachstumsförderung durch Anwesenheit von Leguminosen, Pflanzen verfügbarer Stickstoff, sowie Pflanzenstickstoffgehalte nachgegangen wurde, unterrepräsentiert. Es ist bekannt, dass durch Bewirtschaftungsmaßnahmen die Wuchsleistung von Pflanzenbeständen, sowie die Bereitstellung von Ökosystemdienstleistungen verbessert werden kann. Das Potenzial von Grünland-Bewirtschaftung im Hinblick auf eine abmildernde Wirkung der prognostizieren, negativen ökologischen Auswirkungen des Klimawandels sind allerdings größtenteils unbekannt. Zudem sind die Methoden, die genutzt werden um zu untersuchen inwieweit sich der Klimawandel (im engeren Sinne Dürre) auf Ökosysteme auswirken kann, durch ihre ungewollten mikro-klimatischen Effekte (Artefakte) umstritten.
Die Hauptzielsetzungen der vorliegenden Dissertationsschrift sind (a) zu untersuchen wie ausgewählte Pflanzen und Ökosysteme auf unterschiedliche Aspekte des Klimawandels (z.B. Bodenerwärmung, Niederschlagsvariabilität, Winter-Starkregen, Spätfrost, Starkregen und Dürre) reagieren, (b) herauszufinden inwieweit sich drei ausgewählte Bewirtschaftungsmaßnahmen dazu eignen die Auswirkungen des Klimawandels zu kompensieren/abzumildern, und (c) die Forschungsdisziplin der Klimawandeleffektforschung durch die fachliche Reflexion angewandter experimenteller Methoden voranzutreiben. Zu diesem Zwecke wurden die Reaktionen (im Wesentlichen: Phänologie, Produktivität, Physiologie, Keimungsraten und Stickstoffgehalte) ausgewählter Pflanzenarten, ihrer Populationen, sowie von künstlichen Pflanzengemeinschaften und einem bewirtschafteten Grünlandökosystem untersucht.
Saisonale Bodenerwärmung (im Winter/Sommer) führte zu einem früheren Blühbeginn und veränderter Produktivität von ansonsten Früh- bzw. Spätblühenden Arten (Manuskript 1). Das Einsetzen der Blüte bei frühblühenden Graslandarten der gemäßigten Breiten wurde infolge von Bodenerwärmung im Winter (4,9 Tage früher) stärker begünstigt als bei der Erwärmung im Sommer (2,3 Tage), während spät-blühende Arten generell weniger anfällig gegenüber den experimentellen Erwärmungen waren. Infolge experimenteller Veränderungen des Niederschlagsregimes zeigten sich keinerlei Verschiebungen der Phänologie (Manuskript 1). Dennoch zeigte sich der Einfluss von experimentell variierten Niederschlagsverhältnissen in der Wachstumsperiode in einer Veränderung des Bedeckungsgrades von Spät- bzw. Frühblühern. Produktivität und Wachstumsförderung durch Anwesenheit von Leguminosen nahmen unter simulierten Starkregenbedingungen zu im Vergleich zu den Kontrollbedingungen (Manuskript 2). Dürre verringerte pflanzenphysiologische Parameter wie stomatäre Leitfähigkeit, effektive Quantenausbeute und Wasserpotential der Blätter (Manuskript 6).
Dürreeffekte auf Pflanze wurden durch die Anwesenheit von Leguminosen beeinflusst (Manuskript 1). Unter Dürrebedingungen hatte die Anwesenheit von Leguminosen die Gesamtbiomasseproduktion von drei benachbarten Graslandarten um 36% erhöht. Darüber hinaus wurde artspezifische Begünstigung anderer Pflanzenarten durch Leguminosen nachgewiesen: Glatthafer (Arrhenatherum elatius) wurde während Dürre- und Starkregenereignissen durch Leguminosen-Präsenz begünstigt, während Spitzlattich (Plantago lanceolata) nur während Starkregen und Wolliges Honiggras (Holcus lanatus) nur unter Kontrollbedingungen begünstigt wurden. Die innerhalb der Kontrollbedingungen durch die Anwesenheit von Leguminosen hervorgerufenen positiven Effekte auf N-Gehalte in Boden und Pflanze bestanden auch während des Einflusses der Dürre fort.
Europäische Graspopulationen/-provenienzen verhielten sich unterschiedlich unter Dürrebedingungen. Allerdings verhielten sich Populationen aus humiden Gebieten nicht schlechter als aus semi-ariden Gebieten, was darauf hinweist, dass es keine lokale Anpassung gibt (Manuskript 3). Sowohl unter Dürre- als auch unter Spätfrostbedingungen war die Variation innerhalb von Arten in den meisten Fällen so hoch wie zwischen den Arten (Manuskript 4). Es konnte (für sieben unterschiedliche, experimentell nachgestellte Klimabedingungen) gezeigt werden, dass für die Art Verbascum thapsus (eine global invasive Pflanzenart) innerartliche Variation (d.h. unterschiedliche Keimungs- und Keimlingsetablierungsraten) hauptsächlich während früher Lebensabschnitte vorkommt (Manuskript 4). Des Weiteren wurden Pflanzenstickstoffgehalte durch Wiederbefeuchtung und Ernteverzögerung nach der Dürre verändert (Manuskript 3). Eine Ernteverzögerung nach der Wiederbefeuchtung konnte aber nicht die negativen Dürreeffekte auf die Biomasseproduktion kompensieren, führte aber zu erhöhten Pflanzenstickstoffkonzentrationen und -gehalten.
Eine detaillierte Charakterisierung der mit der Nutzung von Überdachungen verbundenen mikro-klimatischen Effekte zeigte, dass die Rolle von methodischen Artefakten bei diesem experimentellen Ansatz stark von den jeweils vorherrschenden Wetter-Bedingungen abhängig ist (Manuskript 6). Die Reaktion der untersuchten Pflanzen war stark mit den Wetterverhältnissen der Umgebungsluft (unter Kontrollbedingungen) korreliert. Die Betrachtung von Dürreeffekten im Zusammenhang mit mikro-klimatischen Parametern wie Lufttemperatur und Dampfdruckdefizit (VPD) kann hiernach die Interpretation und den Vergleich unterschiedlicher Studien sowie Unterschiede in verschiedenen Jahren einer Studie erleichtern. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass durch die verwendeten Überdachungen, sowohl Temperatur- als auch Einstrahlungsverhältnisse verändert wurden. Jedoch hatten die mit den Überdachungen verbundenen mikro-klimatischen Veränderungen (Artefakte) keine signifikanten Effekte auf die Trockenheits-induzierte Reaktion der untersuchten Pflanzen. Demnach handelt es sich bei diesen fest-installierten Überdachungen nach wie vor um eine nutzbare Methode in der experimentellen Ökologie.
Die hier vorgelegte Arbeit liefert wichtige Erkenntnisse zu den Auswirkungen des Klimawandels auf die ökologische Funktionsweise ausgewählter Pflanzenarten und des Gesamt-Systems bewirtschafteter Grünländer, die für eine nachhaltige Bewirtschaftung dieser Ökosysteme von fachlicher Relevanz sind. So können beispielsweise Trockenheits-induzierte Effekte durch die Anwesenheit von Leguminosen und durch Bewässerung in Kombination mit einer verzögerten Ernte reduziert werden. Die im Zuge dieser Arbeit präsentierten Ergebnisse zeigen zudem starke Unterschiede in der Reaktion unterschiedlicher Populationen einer Art auf klimatische Extrembedingungen. Dennoch konnte die (klimatische) Herkunft der untersuchten Populationen keine Rückschlüsse auf die Art und Richtung der gezeigten Reaktion geben. Demnach kann das Mischen unterschiedlicher Populationen oder eine generell hohe, intra-spezifische Diversität als geeignete Maßnahme empfohlen werden, um in Angesicht des aktuellen Klimawandels die Produktivität und Nährstoff- (Stickstoff-) Verfügbarkeit zu sichern.