The effects of climate change on fine root dynamics in a Norway spruce forest
Die Auswirkungen von Klimawandel auf Feinwurzeldynamik in einem Fichtenbestand
by Dirk Gaul
Date of Examination:2008-08-01
Date of issue:2008-10-06
Advisor:Prof. Dr. Christoph Leuschner
Referee:Prof. Dr. Christoph Leuschner
Referee:Prof. Dr. Dirk Hölscher
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Format:PDF
Description:Dissertation
Abstract
English
Because of methodological restrictions, exact quantifications of the carbon sink strength of fine root systems are not available for mature forests. However, for assessing the effects of climate change on root-derived carbon fluxes to the soil, this knowledge is urgently needed. In my thesis, I applied sequential soil coring and minirhizotron observations to investigate the impacts of experimental summer drought and winter frost on fine root dynamics of Norway spruce by replicated throughfall exclusion and snow removal experiments in Southeast Germany. In addition, I estimated fine root longevity distribution with root diameter, root C/N ratio and soil depth under natural conditions using sequential soil coring, minirhizotrons and radiocarbon analyses as three independent methods. I tested the hypotheses that (i) soil drought and soil frost increase fine root mortality leading to a higher input of root-born organic matter into the soil and that (ii) drought- and frost-induced fine root mortality is compensated by higher rates of fine root production. Excluding throughfall for a period of six weeks reduced average soil moisture from 20 to 12 vol. % in the upper mineral soil, while snow removal induced soil frost with temperatures down to -5.5 °C in the organic layer. Sequential coring showed that soil drought and frost increased fine root mortality in the organic layer of the studied spruce stand by 61 and 29 %, respectively. However, enhanced fine root production compensated for the root losses caused by water shortage and low temperatures. Minirhizotron observations revealed that drought stress was mainly restricted to the organic layer, while frost stress was similar in the organic layer and the upper 25 cm of the mineral soil. We calculated that experimental soil drought and frost led to additional carbon inputs to the soil of about 28 and 47 g m-2. Under natural conditions, the carbon age of fine roots increased with depth from 5 years in the organic layer to 13 years in 40-60 cm mineral soil. Similarly, the C/N ratios of fine root samples were lowest in the organic layer and increased with depth. Roots > 0.5 mm in diameter tended to live longer than roots < 0.5 mm in diameter. Furthermore, the results on mean root longevity were strongly influenced by the method of investigation. Radiocarbon analyses yielded with 5.4 years much higher estimates than sequential coring (0.9 years) and minirhizotron observations (0.7 years). I conclude that even periods of relatively mild drought and frost have considerable potential to increase fine root mortality and the associated input of root-derived carbon to the soil organic matter pool in temperate Norway spruce forests. In addition, I propose that sequential coring and minirhizotron observations are likely to underestimate fine root longevity, while radiocarbon analyses may lead to overestimations.
Keywords: fine roots; longevity; minirhizotrons; radiocarbon; root dynamics; sequential coring; soil frost; throughfall exclusion
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Feinwurzeln gelten als eine der bedeutendsten Senken
im Kohlenstoffhaushalt von Bäumen. Eine genaue
Quantifizierung der Bedeutung von Feinwurzelsystemen
für den Kohlenstoffkreislauf in Wäldern ist jedoch
aufgrund methodischer Schwierigkeiten bislang nicht
möglich. In der vorliegenden Dissertation wurden
sequentielle Bohrstockbeprobung und Minirhizotrone
angewandt um die Auswirkungen von experimenteller
Sommertrockenheit und Winterfrost auf die
Feinwurzeldynamik von Picea abies im Fichtelgebirge zu
untersuchen. Zusätzlich wurde die Lebensdauer von
Feinwurzeln in Abhängigkeit von Durchmesser,
C/N-Verhältnis und Bodentiefe unter natürlichen
Bedingungen durch sequentielle Bohrstockbeprobung,
Minirhizotron- und Radiocarbountersuchungen ermittelt.
Es wurden die Hypothesen untersucht, dass (i)
Austrocknung und Frost die Feinwurzelmortalität erhöhen
und dadurch den Eintrag von organischem Material in die
Rhizosphäre vergrößern und dass (ii) der trockenheits-
beziehungsweise frostbedingte Feinwurzelverlust zu
einem kompensatorischen Feinwurzelwachstum nach
Wiederbefeuchtung beziehungsweise Auftauen führt. Der
Ausschluss von Regenwasser über eine Zeit von 6 Wochen
verringerte die Bodenfeuchte im oberen Mineralboden von
20 auf 12 Vol. % während das Räumen von Schnee zu
Bodenfrost mit Temperaturen von bis zu -5.5 °C in der
organischen Auflage führte. Die Ergebnisse der
sequentiellen Bohrstockbeprobung zeigten, dass
Austrocknung und Frost die Feinwurzelmortalität in der
organischen Auflage um 61 beziehungsweise 29 %
erhöhten. Der trockenheits- beziehungsweise
frostbedingte Feinwurzelverlust wurde jedoch durch
erhöhte Feinwurzelproduktion ausgeglichen. Die
Ergebnisse der Minirhizotronuntersuchungen deuten
darauf hin, dass der Ausschluss von Regenwasser
lediglich die Feinwurzeldynamik in der Auflage
beeinflusste, während das Schnee räumen zusätzlich
Mortalität und Produktion in den oberen 25 cm des
Mineralbodens erhöhte. Es wurde errechnet, dass
Austrocknung und Frost den Kohlenstoffeintrag in den
Boden um 28 beziehungsweise 47 g m-2
erhöhten. Unter natürlichen Bedingungen waren
Kohlenstoffalter und C/N-Verhältnis von Feinwurzeln am
geringsten in der organischen Auflage und stiegen mit
zunehmender Tiefe an. Feinwurzeln > 0.5 mm
Durchmesser lebten länger als Feinwurzeln < 0.5 mm.
Außerdem wurden die Ergebnisse der durchschnittlichen
Lebensdauer stark von der gewählten
Untersuchungsmethode beeinflusst. Die Werte der
Radiocarbonanalysen deuteten darauf hin, dass
Feinwurzeln im untersuchten Fichtenbestand länger als 5
Jahre leben, während sequentielle Bohrstockbeprobung
und Minirhizotronuntersuchungen zu deutlich kürzere
Lebensdauern (< 1 Jahr) führten.
Schlagwörter: Bodenfrost; Feinwurzeln; Feinwurzeldynamik; Minirhizotrone; Radiocarbon; Wurzelalter