Impact of climate change-induced drought on tree root hydraulic properties and competition belowground

Abstract

Durch die mit dem Klimawandel einhergehende Temperaturerhöhung und den verringerten Niederschlag wird es in Zukunft häufiger zu Trockenperioden kommen. Wasser ist bereits heute ein das Pflanzenwachstum limitierender Faktor, insbesondere in Wäldern und Plantagen auf schwachgründigen, sandigen Böden sowie in Regionen mit geringem Niederschlag. Zudem fördert der erhöhte Bewässerungs-Bedarf unter trockeneren klimatischen Bedingungen die Versalzung von landwirtschaftlichen Böden. Obwohl die Wasseraufnahme und Konkurrenzprozesse um Wasser und Nährstoffe im Boden stattfinden, lag der Schwerpunkt bei der Erforschung von pflanzlichen Anpassungsstrategien an Trockenheit und Salz-Stress in der Vergangenheit häufig auf den oberirdischen Pflanzenorganen. Um die Effekte des Klimawandels vorhersagen zu können, ist jedoch ein besseres Verständnis für die Anpassungsfähigkeit von Wurzelsystemen an Trockenheit und unterirdische Konkurrenzprozesse nötig. Diese Studie über fünf Baumarten temperater Mischwälder und mediterraner Obstbaum-Plantagen untersucht den Einfluss reduzierter Bodenwasserverfügbarkeit und unterirdischer Konkurrenzprozesse auf die Struktur und Funktion von Wurzelsystemen. Insbesondere soll in dieser Studie geklärt werden, ob (i) die axiale hydraulische Leitfähigkeit von Wurzeln, analog zur Anpassung oberirdischer Organe, mit zunehmender Trockenheit abnimmt, (ii) Feinwurzeln im Boden-Pflanze-Atmosphäre-Kontinuum als „hydraulische Sicherungen“ fungieren, und (iii) die unterirdische Konkurrenzkraft symmetrisch zur Größe des Wurzelsystems ist bzw. (iv) zwischen Baumarten und mit der Wasser- und Nährstoffversorgung variiert. Durch diese Studie konnte nachgewiesen werden, dass i) Die axiale hydraulische Leitfähigkeit der Fein- und Grobwurzeln von Quercus petraea (MATT.) LIEBL., im Gegensatz zu Wurzeln von Fagus sylvatica L., bei starker Bodentrockenheit zunimmt. An Wurzeln von Olea europaea L. konnte zudem eine Zunahme der hydraulischen Wurzel-Leitfähigkeiten mit zunehmendem Salzgehalt des Bodens beobachtet werden. An Trockenheit und/oder Salz-Stress angepasste Baumarten wie Quercus petraea und Olea europea sind vermutlich in der Lage, den durch den Verlust an Wurzelbiomasse erhöhten hydraulischen Widerstand durch eine Verminderung der axialen Wurzel-Leitungswiderstände zu kompensieren. In Sprossen und Zweigen konnte ein ähnlicher Anpassungsmechanismus bislang nur vereinzelt nachgewiesen werden. ii) Feinwurzeln als „hydraulische Sicherungen“ im Boden-Pflanze-Atmosphäre-Kontinuum wirken können. Das Xylem von Quercus petraea und Fagus sylvatica Feinwurzeln emboliert bereits bei geringfügig verminderten Wasserpotentialen. Darüber hinaus erhöht sich die Embolieanfälligkeit der Feinwurzeln von Quercus petraea nach Bodentrockenheit. Neben dem Absterben von lateralen Feinwurzeln scheinen Embolien als weiterer, eventuell reversibler, hydraulischer Sicherungsmechanismus zu wirken. iii) Verschiedene Anzeichen auf die Asymmetrie der unterirdischen Konkurrenzprozesse hindeuten. Zum Einen ist die Feinwurzelbiomasse von Quercus petraea unter inter-spezifischen Konkurrenzbedingungen im Vergleich zu Reinbeständen überproportional reduziert, zum Anderen hängt die Wachstumsrate und Morphologie von Wurzeln von der Anwesenheit eines Konkurrenten und nicht von der Anfangsbiomasse ab. iv) Baumarten anhand ihrer unterirdischen Konkurrenzkraft gegliedert werden können. Den Ergebnissen über Wurzelbiomasse und -wachstum unter unterschiedlichen Konkurrenzbedingungen zur Folge, ist Fagus sylvatica nicht nur ober-, sondern auch unterirdisch eine der konkurrenzstärksten Baumarten Mitteleuropas. Unter zunehmendem abiotischem Stress verlieren artspezifische Unterschiede in der Konkurrenzkraft jedoch an Bedeutung und die Wichtigkeit biotischer Interaktionen ist vermindert. Eine Einschränkung der Ressourceverfügbarkeit, z.B. durch Trockenheit, scheint die Konkurrenzkraft von Fagus sylvatica und Quercus petraea in gleicher Weise zu beeinflussen.