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Backhaus, Sabrina:
Climate change in experimental
ecology - The impact of warming and drought
on key European tree, heath, and
grassland species.
Bayreuth
,
2014
. - 155 S.
(
Dissertation,
2014
, Universität Bayreuth, Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften)
Volltext
Abstract
During climate change rising mean air temperatures will be accompanied by climatic extremes such as drought. The frequency and magnitude of those extreme weather events are expected to increase in the future. Additionally, climatic extremes may have stronger effects on plants than a gradual temperature shift. Therefore, investigations of plant response to extreme weather events are needed to understand ecological and economic implications better. Apart from the consequences of climate change for plants, this thesis also asks the question: Can we simulate global warming reliably with our available warming techniques? In particular, the work in hand is intended to give answers to four research questions in this context (corresponding to four manuscripts).
1. How reliable are our experimental evidences and techniques (passive warming versus warming by transplantation) (manuscript 1)?
2. Is the leaf palatability of Quercus pubescens influenced by warming and drought (manuscript 2)?
3. Does drought response of Fagus sylvatica differ between central and marginal provenances (manuscript 3)?
4. Does stress response of plant communities and species (heath and grassland) differ if drought reoccurs (manuscript 4)?
Concerning the first of the above stated research questions, the comparison of the two warming techniques "passive warming" and "warming by transplantation" revealed that the reliability of the experimental results and therefore the resulting predictions for future plant response depend on the chosen technique. Experimental passive warming techniques are complicated in execution and should consider further parameters besides temperature increases such as: evapotranspiration, photosynthetically active radiation, and wind speed in order to improve the knowledge of warming technique effects (manuscript 1).
The climatic manipulations "warming" and "drought" were simulated in the EVENT 3 experiment to investigate their impact on the leaf palatability of Quercus pubescens of four European provenances from Germany, Bulgaria, Hungary, and Italy (second research question). This was done in a palatability experiment using the leaf consumption of the forest pest Lymantria dispar (gypsy moth) as response parameter (manuscript 2). Surprisingly, "warming" and "drought" did not effect the leaf palatability. However, leaf palatability was negatively correlated with an increasing density of trichomes (i.e. leaf hairs) and Bulgarian leaves were preferred compared to Hungarian and Italian oak leaves. This study suggests that the attractiveness of the four tested European Q. pubescens provenances might be stable in a changing climate at least as far as L. dispar is concerned.
Regarding the third research question, beech seedlings originating from three marginal (Bulgaria, Spain, and Poland) and three central (Germany) Fagus sylvatica provenances out of its geographic range were exposed to drought in two different soil types (sand, loam) (manuscript 3). Drought had a negative impact on all tree growth parameters, especially in sandy substrate. The provenances differed in their response to drought and soil type, but marginal F. sylvatica provenances generally did not withstand drought exposure better than central provenances. The performance of the Bulgarian F. sylvatica provenance might indicate a trade-off between growth and drought tolerance, as the overall total increment was low but stable under drought conditions. Furthermore, local adaptation to summer drought could be detected with respect to mortality. Regarding forest management, focusing only on drought-resistant marginal provenances might not be beneficial, as those provenances could be less adapted to other climatic parameters. Therefore, intermixing Central European forests with drought-resistant tree provenances might be an option to ensure forest resistance and yield in the future.
Beside the impact of warming and drought on tree species, the fourth research question assessed the response of temperate grassland and heath communities as well as single species to a very severe drought event (more than half of the growing season) (manuscript 4). The plants experienced previously within their life history different precipitation manipulations ("drought", "heavy rain", "regular watering", and "ambient control" conditions) in addition to natural drought occurrences in the EVENT 1 experiment over a six-year period. Differences in drought stress resistance and the influence of plant community composition on the ecological stress memory of single plant species were tested. Recurrent mild drought stress over several years seems to improve plant resistance and thus lead to less tissue die-back compared to plants with hardly any drought experience in the face of a very severe drought. Additionally, plant community composition might have an influence on the ecological stress memory of single plant species.
To sum up, the findings of this dissertation showed that the design of the chosen warming technique has to be thoroughly considered to make reliable predictions of plant response to climate change. Moreover, warming and drought did not impact the leaf palatability of different Q. pubescens provenances. On the other hand, drought influenced the growth of central and marginal F. sylvatica provenances negatively. Beyond that, drought occurrences do not have to be extreme themselves to promote drought resistance of heath and grassland communities and single species.
Abstract in weiterer Sprache
Im Zuge des Klimawandels werden steigende mittlere Lufttemperaturen von Klimaextremen wie Dürre begleitet sein. In der Zukunft wird eine Zunahme in der Häufigkeit und in der Größenordnung dieser extremen Wetterereignisse erwartet. Des Weiteren könnten Klimaextreme stärkere Effekte auf Pflanzen haben als eine graduelle Temperaturveränderung. Daher werden Untersuchungen der Reaktionen der Pflanzen auf extreme Wetterereignisse benötigt, um ökologische und ökonomische Implikationen besser verstehen zu können. Abgesehen von den Konsequenzen des Klimawandels für Pflanzen, wird in dieser Dissertation ebenso die Frage gestellt: Können wir die globale Erwärmung mit unseren zur Verfügung stehenden Erwärmungstechniken verlässlich simulieren? Insbesondere beabsichtigt die vorliegende Arbeit vier Forschungsfragen in diesem Zusammenhang zu beantworten (korrespondierend zu vier Manuskripten).
1. Wie verlässlich sind unsere experimentellen Evidenzen und Techniken (passive Erwärmung gegenüber Erwärmung durch Transplantation) (Manuskript 1)?
2. Wird die Schmackhaftigkeit von Quercus pubescens Blättern durch Erwärmung und Dürre beeinflusst (Manuskript 2)?
3. Ist die Dürrereaktion von zentralen und marginalen Fagus sylvatica Herkünften unterschiedlich (Manuskript 3)?
4. Unterscheidet sich die Stressreaktion von Pflanzengemeinschaften und -arten (Heide und Grasland), wenn Dürre sich wiederholt ereignet (Manuskript 4)?
Bezüglich der ersten Forschungsfrage erbrachte ein Vergleich der zwei Erwärmungstechniken "passive Erwärmung" und "Erwärmung durch Transplantation", dass die Verlässlichkeit der experimentellen Ergebnisse und folglich die daraus resultierenden Prognosen für zukünftige Pflanzenreaktionen von der gewählten Technik abhängen. Experimentelle passive Erwärmungstechniken sind kompliziert in ihrer Umsetzung und sollten weitere Parameter neben Temperaturerhöhungen berücksichtigen, wie z. B.: Evapotranspiration, photosynthetisch aktive Strahlung und Windgeschwindigkeit, um die Kenntnisse der Effekte von Erwärmungstechniken zu verbessern (Manuskript 1).
Die klimatischen Manipulationen "Erwärmung" und "Dürre" wurden im EVENT 3 Experiment simuliert, um deren Auswirkung auf die Schmackhaftigkeit von Blättern von vier europäischen Quercus pubescens Herkünften aus Deutschland, Bulgarien, Ungarn und Italien zu untersuchen (zweite Forschungsfrage). Dies wurde in einem Fraßversuch getan, bei dem der Blattkonsum des Waldschädlings Lymantria dispar (Schwammspinner) als Untersuchungsvariable diente (Manuskript 2). Überraschenderweise hatten "Erwärmung" und "Dürre" keine Auswirkung auf die Schmackhaftigkeit der Blätter. Jedoch war die Schmackhaftigkeit der Blätter negativ mit der Zunahme der Dichte von Trichomen (d. h. Blatthaaren) korreliert und die bulgarischen Blätter wurden im Vergleich zu den ungarischen und italienischen Eichenblättern bevorzugt. Diese Studie deutet darauf hin, dass die Attraktivität der vier getesteten europäischen Q. pubescens Herkünfte in einem sich wandelnden Klima stabil bleiben könnte, jedenfalls soweit es L. dispar betrifft.
Hinsichtlich der dritten Forschungsfrage wurden junge Buchen, die aus drei marginalen (Bulgarien, Spanien und Polen) und drei zentralen (Deutschland) Fagus sylvatica Herkünften aus deren Verbreitungsgebiet abstammen, einer Dürre in zwei unterschiedlichen Bodenarten (Sand, Lehm) ausgesetzt (Manuskript 3). Dürre hatte eine negative Auswirkung auf alle Baumwachstumsparameter, insbesondere im sandigen Substrat. Die Herkünfte unterschieden sich in ihrer Reaktion auf die Dürre und auf die Bodenart, allerdings widerstanden marginale F. sylvatica Herkünfte generell nicht besser der Dürreexposition als zentrale Herkünfte. Das Verhalten der bulgarischen F. sylvatica Herkunft könnte ein "Trade-off" zwischen Wachstum und Dürretoleranz indizieren, da das Wachstum der Herkunft insgesamt gering, jedoch stabil unter Dürre war. Weiterhin wurde eine lokale Anpassung an Sommerdürre in Bezug auf die Mortalität entdeckt. Im Hinblick auf die Waldbewirtschaftung wäre der alleinige Fokus auf dürreresistente, marginale Herkünfte nicht unbedingt von Vorteil, da diese Herkünfte an andere klimatische Parameter weniger angepasst sein könnten. Daher stellt das Mischen von zentraleuropäischen Wäldern mit dürreresistenten Baumherkünften eine Option dar, um die Waldresistenz und den Ertrag in der Zukunft zu sichern.
Neben der Auswirkung von Erwärmung und Dürre auf Baumarten wurden in der vierten Forschungsfrage die Reaktionen von Grasland- und Heidegemeinschaften ebenso wie von einzelnen Arten aus der gemäßigten Klimazone auf ein sehr strenges Dürreereignis (mehr als die Hälfte der Vegetationsperiode) untersucht (Manuskript 4). Die Pflanzen erfuhren innerhalb ihrer vorherigen Lebensgeschichte über sechs Jahre unterschiedliche Niederschlagsmanipulationen ("Dürre", "Starkregen", "regelmäßige Bewässerung" und "Umgebungsklima" = Kontrolle) sowie natürliche Dürreereignisse im EVENT 1 Experiment. Es wurden Unterschiede in der Dürrestressresistenz und der Einfluss der Zusammensetzung der Pflanzengemeinschaft auf das ökologische Stressgedächtnis von einzelnen Pflanzenarten untersucht. Über mehrere Jahre wiederkehrender milder Dürrestress schien die Pflanzenresistenz im Bezug auf Dürre zu verbessern, und führte dadurch zu einem geringeren Absterben von Blattgewebe während einer sehr strengen Dürre im Vergleich zu Pflanzen mit fast gar keiner Dürreerfahrung. Weiterhin könnte die Zusammensetzung der Pflanzengemeinschaft einen Einfluss auf das ökologische Stressgedächtnis der einzelnen Pflanzenarten gehabt haben.
Zusammenfassend konnte im Rahmen dieser Dissertation gezeigt werden, dass das Design der gewählten Erwärmungstechnik sorgfältig bedacht sein sollte, um verlässliche Prognosen der Pflanzenreaktion auf den Klimawandel machen zu können. Zudem hatten Erwärmung und Dürre keine Auswirkung auf die Schmackhaftigkeit der Blättern von unterschiedlichen Q. pubescens Herkünften. Jedoch beeinflusste dahingegen Dürre das Wachstum von zentralen und marginalen F. sylvatica Herkünften negativ. Darüber hinaus müssen Dürreereignisse ihrerseits nicht extrem sein, um die Dürreresistenz von Heide- und Graslandgemeinschaften und einzelnen Arten zu fördern.