Wasserhaushalt und Wassernutzungseffizienz von vier perennierenden Pflanzenarten im Vorland einer zentralasiatischen Flussoase
Water use and water use efficiency of four perennial plant species in the foreland of a Central-Asian river oasis
by Andrea Foetzki
Date of Examination:2003-01-30
Date of issue:2003-11-18
Advisor:Prof. Dr. Michael Runge
Referee:Prof. Dr. Christoph Leuschner
Referee:Prof. Dr. Ulrich Ehlers
Referee:Prof. Dr. Gode Gravenhorst
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Format:PDF
Description:Dissertation
Abstract
English
At the southern fringe of the Taklamakan desert, the annual precipitation is only 33 mm, and the potential evaporation 2600 mm. The oases are supplied with water through rivers, which run from the Kunlun Mountains and carry high water during snow melt in summer. A belt of natural vegetation marks the transition zone between oasis and desert, and serves as a shelter against sand drift and as a source of fodder, firewood and construction material. Taking the oasis Qira as an example, the four key species of the foreland vegetation: Alhagi sparsifolia Shap., Tamarix ramosissima Lebed., Populus euphratica Oliv. and the C4 species Calligonum caput-medusae Schrenk. were investigated on their water status and water use efficiency. The studies were conducted at fenced research sites that were dominated by one of these plant species each. The effects of experimental irrigation and of harvest of above-ground biomass (to mimic the use of biomass by the local farmers) on the water status of the species was explored. The results should contribute to create the ecological basis for the restoration and sustainable use of the foreland vegetation. The plants of the foreland vegetation exhibited a high water use (sap flow sum of the vegetation period of 1999: C. caput-medusae, 183 kg H2O*m-2; A. sparsifolia, 391 kg H2O*m-2; T. ramosissima, up to 441 kg H2O*m-2; for P. euphratica a value of 392 kg H2O*m-2 was calculated using the PENMAN-MONTEITH equation). This high demand of water can only be met by ground water use, as the soil water content is negligible except for flooding periods, and as most of the foreland area is not reached by natural summer floods. The water potentials did not indicate severe drought stress, and neither transpiration nor sap flow were impaired during midday. An experimental irrigation did not have any positive effect on the water status of the investigated species. On the non-irrigated plots, water use was lower than on their irrigated counterparts. Compared to the irrigated plots, productivity was higher on the non-irrigated plots of A. sparsifolia and C. caput-medusae, but lower on those of T. ramosissima and P. euphratica. These discrepancies were not due to irrigation but to general differences between the research plots that affected water use and productivity: in C. caput-medusae and T. ramosissima, these differences were due to a longer distance to ground water on the non-irrigated plots; in P. euphratica and maybe also in A. sparsifolia, both being species with a pronounced clonal growth, genetic differences between plant clusters (genets) on the respective plots may have been effective. The harvest of above-ground biomass had a negative effect on productivity of A. sparsifolia in the following year, but a positive effect on productivity of the remaining shoots of the other species. Water use efficiency of production (WUEp) was calculated from productivity and annual water use measured by sap flow. Compared to plants in other arid regions, the investigated species exhibited a high productivity. The C4 species C. caput-medusae showed the highest WUEp (1,16 g DM*kg H2O-1), whereas WUEp of A. sparsifolia was lowest (0,60 g DM*kg H2O-1). T. ramosissima attained 0,82 g DM*kg H2O-1. These WUEp values are rather low in comparison to other species. Irrespective of irrigation, the carbon isotope ratio (δ13C) showed a decline through the vegetation period that is due to metabolic processes. On the basis of these results, neither a restricted water availability throughout the year nor a positive effect of irrigation on the water status of the plants could be assumed. Apparently, a natural regeneration of the foreland vegetation takes place only near riverbeds. Therefore, for the restoration of most of the foreland area, plantings and irrigation are necessary. Regeneration measures can only be successful if the plants are able to gain access to ground water. Being the species with the highest water use efficiency, C. caput-medusae is recommended for sand fixation. However, the needs of the local population have to be considered: A. sparsifolia is a valuable fodder plant, and T. ramosissima is important as a highly productive source of wood for fuel and construction material; therefore, these species should be promoted as well. P. euphratica as a protected species should be fostered as well; once the stands have recovered, they represent a valuable resource of wood and a shelterbelt around the oases that can contribute to the prevention of sand drift. A management plan for grazing and use of the foreland vegetation is a prerequisite for a sustainable development. An intact foreland vegetation in combination with planted shelterbelts offers the most effective shelter against sand drift.
Keywords: transpiration; sap flow; water potential; carbon isotope discrimination; drought stress; irrigation; desert; Tamarix ramosissima; Alhagi sparsifolia; Calligonum caput-medusae; Populus euphratica
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Am Südrand der Taklamakan-Wüste herrscht
bei nur 33 mm Jahresniederschlag eine potentielle Evaporation von
2600 mm. Die Oasen werden von Flüssen aus dem Kunlun-Gebirge
gespeist, die zur Zeit der Schneeschmelze im Sommer Hochwasser
führen. Zwischen Oase und Wüste liegt ein Gürtel natürlicher
Vegetation, der als Schutz gegen Sanddrift sowie als Quelle für
Viehfutter, Brennholz und Baumaterial dient. Am Beispiel der Oase
Qira wurden der Wasserhaushalt und die Wassernutzungseffizienz von
vier ökonomisch und ökologisch wichtigen Arten der
Vorlandvegetation, Alhagi
sparsifolia Shap., Tamarix ramosissima Lebed., Populus euphratica Oliv. sowie die
C4-Art Calligonum
caput-medusae Schrenk., auf zu diesem Zweck abgegrenzten
Flächen untersucht. Die Auswirkungen einer experimentellen
Bewässerung und einer simulierten Nutzung oberirdischer
Pflanzenbiomasse auf den Wasserhaushalt der Arten wurden erforscht.
Die Ergebnisse sollen dazu beitragen, ökologische Grundlagen für
die Restauration und die nachhaltige Nutzung der Vegetation des
Oasenvorlandes zu schaffen. Die Pflanzen der Oasenvorlandvegetation
hatten einen hohen Wasserverbrauch (Saftflusssumme der
Vegetationsperiode 1999: C.
caput-medusae 183 kg H2O*m-2,
A. sparsifolia 391 kg
H2O*m-2, T.
ramosissima bis zu 441 kg H2O*m-2; für
P. euphratica liegt ein mit dem
PENMAN-MONTEITH-Ansatz berechneter Wert von 392 kg
H2O*m-2 vor), den sie nur aus dem Grundwasser
decken können, da die Bodenwassergehalte außerhalb von
Überflutungsperioden bis in größere Tiefen vernachlässigbar gering
sind und der größte Teil des Vorlandes nicht von den
Sommerüberflutungen erreicht wird. Die Wasserpotentiale deuteten
nicht auf starken Trockenstress hin und weder Transpiration noch
Saftfluss wiesen eine mittägliche Einschränkung auf. Eine
experimentelle Bewässerung hatte keinen positiven Effekt auf den
Wasserhaushalt der untersuchten Arten. Die verbrauchten
Wassermengen waren auf den unbewässerten Flächen niedriger als auf
den bewässerten Flächen. Die Produktivität war bei A. sparsifolia und C.
caput-medusae auf den unbewässerten Flächen höher, bei
T. ramosissima und P. euphratica niedriger als auf den bewässerten
Flächen. Dies war aber nicht auf einen Bewässerungseffekt
zurückzuführen. Zwischen den unbewässerten und bewässerten
Untersuchungsflächen existierten prinzipielle Unterschiede, die
sich auf den Wasserhaushalt und die Produktivität auswirkten: bei
C. caput-medusae und T. ramosissima konnten diese Unterschiede auf eine
größere Entfernung der Pflanzen auf den unbewässerten Flächen zum
Grundwasser zurückgeführt werden; bei P.
euphratica und vielleicht auch bei A.
sparsifolia, beides Arten mit klonalem Wachstum, liegen
vermutlich genetische Unterschiede zwischen den Flächen vor. Die
experimentelle Nutzung durch Ernte oberirdischer Biomasse wirkte
sich bei A. sparsifolia negativ auf die
Produktion im folgenden Jahr, bei den anderen Arten positiv auf die
Produktivität der verbleibenden Triebe aus. Aus der Produktivität
und dem Jahreswasserverbrauch aus Saftflussmessungen wurde die
Wassernutzungseffizienz der Produktion (WUEp) errechnet. Die
untersuchten Arten hatten eine sehr hohe Produktion im Vergleich
mit Arten in anderen Trockengebieten. Die WUEp war bei der
C4-Pflanze C. caput-medusae
mit 1,16 g TG*kg H2O-1 am höchsten, bei
A. sparsifolia mit 0,60 g TG*kg
H2O-1 am niedrigsten. T.
ramosissima erreichte 0,82 g TG*kg
H2O-1. Die Werte für die WUEp liegen
insgesamt sehr niedrig im allgemeinen Artvergleich. Die
Kohlenstoff-isotopenverhältnisse (δ13C) zeigten einen
Jahresverlauf, der unabhängig von der Bewässerung absank, was auf
metabolische Prozesse zurückzuführen ist. Weder eine Einschränkung
der Wasserverfügbarkeit im Jahresverlauf noch ein positiver
Bewässerungseffekt konnte auf Grundlage dieser Ergebnisse
angenommen werden. Eine natürliche Regeneration der
Vorlandvegetation erfolgt offenbar nur in Flussnähe, für den
Großteil der Fläche müssten Anpflanzungen und Bewässerung erfolgen.
Eine Regeneration kann nur erfolgreich sein, wenn die Pflanzen das
Grundwasser erreichen. C. caput-medusae
ist als Art mit der höchsten Wassernutzungseffizienz für
Pflanzungen zur Dünenbefestigung zu empfehlen, allerdings dürfen
die Nutzungsinteressen der lokalen Bevölkerung nicht außer Acht
gelassen werden: A. sparsifolia ist
eine wichtige Futterpflanze, T.
ramosissima als Holzlieferant mit hoher Produktivität
bedeutend; auch diese Arten sollten daher gefördert werden.
P. euphratica als geschützte Art sollte
gefördert werden bis sich Bestände erholt haben; prinzipiell sind
Populus-Bestände eine bedeutende Ressource für Holz und könnten
zudem als innerer Schutzgürtel um die Oasen einen Beitrag zur
Verhinderung von Sandverwehung leisten. Ein Managementplan für
Beweidung und Nutzung des Vorlandes ist Voraussetzung für eine
nachhaltige Nutzung. Eine intakte Vorlandvegetation zusammen mit
angepflanzten Schutzgürteln bietet den effektivsten Schutz gegen
Sanddrift.
Schlagwörter: Transpiration; Saftfluss; Wasserpotential; Kohlenstoff-Isotopen-Diskriminierung; Trockenstress; Bewässerung; Wüste; Tamarix ramosissima; Alhagi sparsifolia</span>; Calligonum caput-medusae; Populus euphratica