Blattwasserzustand und Wasserumsatz von vier Buchenwäldern entlang eines Niederschlagsgradienten in Mitteldeutschland
Leaf Water Relations and Stand Transpiration of four Beech Forests across a Precipitation Gradient in Central Germany
by Florian Schipka
Date of Examination:2003-01-29
Date of issue:2003-12-15
Advisor:Prof. Dr. Christoph Leuschner
Referee:Prof. Dr. Christoph Leuschner
Referee:Prof. Dr. Michael Runge
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Format:PDF
Description:Dissertation
Abstract
English
1. The aim of the study was to analyze the plasticity of common beech (Fagus sylvatica L.) in water use and the regulation of water balance in adaptation to forest sites with widely differing precipitation regimes. The climatic site conditions of the four old-growth beech stands studied varied from a sub continental climate with 520 mm annual precipitation at one of the driest beech forest sites in central Europe to a sub oceanic montane climate with 1040 mm annual precipitation, thus covering a wide range of the climatic spectrum of central European beech forest sites. 2. During three growing seasons, the precipitation regime of the investigated beech forests was assessed, together with microclimatic site conditions (global radiation, air temperature, water vapour pressure deficit (VPD) of air) and soil water status (matric potential, volumetric water content). 3. Daily time courses of stomatal leaf conductance were measured by porometry. In parallel to this and pre-dawn, leaf water potentials were measured by a pressure chamber. An analysis of pressure volume relations revealed characteristics of leaf water status (osmotic potentials, relative water content). Stand transpiration was monitored by xylem sap flow measuring systems. Stand conductance could be derived from stand transpiration rates in relation to microclimatic parameters. Increment measuring tapes, litter buckets and leaf area measuring systems were used to investigate wood increment, leaf area index (LAI) and morphological characteristics of leaves. 4. During this study the local regimes of global radiation and VPD were remarkably similar at all the beech forest sites investigated. However, the precipitation regimes differed distinctly and monthly precipitation sometimes showed considerable deviations from 30-year means. 5. All studied beech stands except the montane beech forest with highest precipitation showed seasonal features of drought-stress. These were most pronounced at the site with the lowest 30-year mean precipitation and at a site in the Lüneburger Heide with unusually low rainfall during the growing seasons studied. Those two sites have sandy soils and continuously showed the lowest storage of extractable soil water. 6. As a result of an extreme drought period in mid summer 1995, in two beech stands pre-dawn values of leaf water potential dropped to - 1.0 MPa and - 1.15 MPa respectively, indicating a severe deficit of extractable soil water. During the vegetation periods in 1996 and 1997, under drought stress pre-dawn values of leaf water potential dropped to - 0.7 MPa and midday leaf water potential reached - 2.6 MPa at the site with the lowest 30-year mean precipitation. At the other stands no pre-dawn values lower than - 0.5 MPa were observed and daily minimum values of leaf water potential hardly dropped below a treshold value of - 2.0 MPa. Furthermore, the stand with the highest rainfall showed the highest values of midday leaf conductance (124 - 311 mmol m-2 s-1), whereas the two stands with low soil water storage showed particularly low values of midday leaf conductance (28 - 183 mmol m-2 s-1). There was no proof of an adaptation to drought stress by active osmotic adjustment. 7. Annual stand transpiration of the beech forests studied varied between 216 mm at the site with the lowest 30-year mean precipitation and 303 mm at the montane site with the highest amount of rainfall. No correlation could be detected between annual stand transpiration and structural parameters of the stands like stem density, basal area, fine root biomass or LAI. Daily stand transpiration was mainly determined by global radiation and VPD but was only slightly related to soil moisture. 8. Restriction of leaf- and stand-conductance under soil water depletion and dropping leaf water potentials emerged clearly as the most important regulatory mechanism of water balance in the studied beech stands. 9. The beech stands with the driest soils showed a seasonal reduction of wood increment under late summer drought. However, a comparison of total annual wood increment between the beech forests examined gave no indication of a remarkable reduction of carbon gain and vitality by drought stress even at one of the driest beech forest sites in central Europe.
Keywords: water relations; beech forests; precipitaion gradient; stand transpiration; stomatal conductance; leaf water potential; water stress
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1. Ziel der Studie war eine Analyse der
Plastizität der Rotbuche (Fagus sylvatica L.) in Wasserumsatz und
Wasserhaushaltsregulation bei Anpassung an Standorte mit stark
unterschiedlichem Niederschlagsregime. Die Standortbedingungen der
vier untersuchten Altbuchenbestände umfassen von einem
subkontinentalen Klima bei 520 mm Jahresniederschlag an einem der
niederschlagsärmsten Buchenstandorte in Mitteleuropa bis zu einer
subozeanisch-montanen Klimaausprägung bei 1040 mm
Jahresniederschlag einen weiten Bereich des Klimaspektrums
mitteleuropäischer Buchenstandorte.
2. Über drei Vegetationsperioden wurden neben dem
Niederschlagsregime auch mikroklimatische Standortparameter
(Globalstrahlung, Temperatur und Wasserdampfsättigungsdefizit der
Luft) sowie der Bodenwasserzustand (Matrixpotential, volumetrischer
Wassergehalt, Nutzwassergehalt) der untersuchten Bestände
erfaßt.
3. Tagesgänge der stomatären Blattleitfähigkeit wurden porometrisch
bestimmt. Parallel dazu sowie "pre-dawn" erfolgten Messungen der
Blattwasserpotentiale mit der Druckkammermethode.
Druck-Volumen-Analysen ergaben Kennwerte des Blattwasserstatus
(osmotische Potentiale, relativer Wassergehalt). Die
Bestandestranspiration wurde mit Xylemsaftfluß-Meßsystemen erfaßt.
Aus Bestandestranspirationsraten und mikroklimatischen Parametern
konnte die Bestandesleitfähigkeit abgeleitet werden.
Zuwachsmaßbänder, Streufänger und Blattflächen-Meßgeräte dienten
der Bestimmung von Holzzuwachs, Blattflächenindex (LAI) und
morphologischen Blattmerkmalen.
4. Globalstrahlungsregime und Sättigungsdefizit der Luft
unterschieden sich zwischen den untersuchten Buchenstandorten nur
wenig. Die Niederschläge wichen dort in den Untersuchungsjahren zum
Teil erheblich von den langjährigen Mittelwerten ab und
unterschieden sich zwischen den Untersuchungsflächen
deutlich.
5. In allen Untersuchungsbeständen außer am niederschlagsreichsten
montanen Standort war saisonale Trockenstreßeinwirkung zu
beobachten. Am ausgeprägtesten war diese am langjährig
niederschlagsärmsten Standort im mitteldeutschen Trockengebiet und
einem im Untersuchungszeitraum ungewöhnlich niederschlagsarmen
Bestand in der Lüneburger Heide. Diese beiden Bestände stocken auf
Sandböden und besaßen durchweg die geringsten
Nutzwasservorräte.
6. Während einer extremen Trockenperiode im Hochsommer 1995 sanken
die pre-dawn-Werte des Blattwasserpotentials in zwei Beständen bis
auf - 1.0 MPa bzw. - 1.15 MPa ab und
wiesen damit auf gravierende Nutzwasserdefizite hin. In den
Vegetationsperioden 1996 und 1997 sanken in dem Bestand im
mitteldeutschen Trockengebiet die pre-dawn-Werte bis auf -
0.7 MPa und das mittägliche Blattwasserpotential bei
Trockenstreß bis auf - 2.6 MPa ab. In den anderen
Untersuchungsbeständen traten 1996 und 1997 keine pre-dawn-Werte
unter - 0.5 MPa auf und die Tagesminima des
Blattwasserpotentials unterschritten einen Schwellenwert von etwa
- 2.0 MPa nur selten und geringfügig. Zudem wies der
niederschlagsreichste Buchenbestand die höchsten mittäglichen
Blattleitfähigkeiten auf (124 - 311 mmol m-2
s-1), während die bodentrockenen Bestände durch
besonders niedrige Blattleitfähigkeiten auffielen (28 - 183
mmol m-2 s-1). Eine Anpassung an
Trockenstreß in Form von aktivem "osmotic adjustment" war nicht
erkennbar.
7. Die Bestandestranspiration erreichte Jahressummen zwischen 216
mm im langjährig niederschlagsärmsten Bestand im mitteldeutschen
Trockengebiet und 303 mm am niederschlagsreichsten montanen
Standort. Dabei war keine Abhängigkeit von bestandesstrukturellen
Merkmalen wie Stammdichte, Bestandesgrundfläche,
Feinwurzel-Biomasse oder LAI zu erkennen. Die Höhe der täglichen
Bestandestranspiration wurde im wesentlichen vom Sättigungsdefizit
der Luft und der Globalstrahlung bestimmt und wies nur eine
schwache Korrelation mit der Bodenfeuchte auf.
8. Die weitaus bedeutendste Reaktionsebene der
Wasserhaushaltsregulation der untersuchten Buchenbestände stellte
die Einschränkung der Blatt- bzw. Bestandesleitfähigkeit bei
Bodenwasserverknappung und absinkenden Blattwasserpotentialen
dar.
9. An den besonders bodentrockenen Standorten war bei
spätsommerlicher Trockenstreßbelastung zwar ein saisonaler Rückgang
des Holzzuwachses zu beobachten. Ein Vergleich der absoluten
jährlichen Holzzuwächse zwischen den untersuchten Beständen ließ
jedoch selbst an einem der niederschlagsärmsten mitteleuropäischen
Buchenstandorte keinen Schluß auf eine wesentliche
trockenstreßbedingte Beeinträchtigung der Kohlenstoffbilanz und der
Vitalität zu.
Schlagwörter: Wasserhaushalt; Buchenwälder; Niederschlagsgradient; Bestandestranspiration; stomatäre Leitfähigkeit; Blattwasserpotential; Trockenstress