Acoufollow - Frostinduzierte Xylemschädigung und Reparatur

Frost ist ein wesentlicher Faktor, der die Verbreitung von Pflanzen hinsichtlich geografischer Breite und Höhenlage limitiert. Der Klimawandel wird nicht nur zu einer Veränderung der Niederschlagsmuster und zu einer früheren Schneeschmelze, sondern auch zu häufigeren Klimaextremen führen, weshalb mit zunehmender Wintertrockenheit und F roststress bei Holzpflanzen zu rechnen ist. Es ist bekannt, dass Frost die lebenden und toten Gewebe im Holz schädigt und dessen hydraulische Funktion durch die Induktion von Embolien beeinträchtigt. Embolien (Gaseinschlüsse im Holzgewebe) blockieren den Wassertransport und damit die Versorgung der Krone. Pflanzen müssen derartige Blockaden durch Reparatur oder Neubildung von Holzgewebe kompensieren. Auf Basis des Vorprojektes Acoufreeze, das sich mit den Prozessen während der Eisbildung im Holz beschäftigte, zielt das Projekt Acoufollow auf ein besseres Verständnis der Erholungsvorgänge nach Gefrierstress ab. In sechs Modellarten (Ahorn, Alpenrose, Fichte, Lärche, Wacholder, Vogelbeere) soll deshalb die Reparatur Gefrier-induzierter Embolien in kontrollierten Temperaturkammer-Experimenten und in Feldstudien untersucht werden. In größerer Höhenlage ist ein Monitoring unter natürlichen Bedingungen und während Schneemanipulationsexperimenten geplant. Die Analysen stützen sich auf Messungen von Ultraschallemissionen, Schwankungen imStammdurchmesser, Messungen an Holzbohrkernen und weiteren, ergänzenden Methoden (Druckmessungen im Holz, Infrarotaufnahmen, hydraulische Messungen, Mikrometeorologie etc.), wobei Analysen von Ultraschallemissionen und Stammdurchmesser-Schwankungen bei Winterbedingungen eine besondere Herausforderung darstellen. Experimente, numerische Simulationen und Feldmessungen sollen es ermöglichen, die räumlich und zeitlich komplexe Dynamik der Druckverhältnisse im Holz während und nach Frostereignissen zu entschlüsseln. Monitoring und Schneemanipulationsexperimente werden eine Analyse der Emboliebildung und -reparatur unter extremen Umweltbedingungen, die verschiedenen Schneebedeckungen entsprechen, ermöglichen. Relevante Klimaparameter sollen zudem mit Wachstumsdaten aus vergangenen Jahrzehnten korreliert und daraus zukünftige kritische Bedingungen hinsichtlich hydraulischen Beeinträchtigungen und Reparatur bei den untersuchten Arten prognostiziert werden. Das Projekt basiert auf einer Kooperation von UMR PIAF und Geolab (Frankreich) und den Instituten für Botanik (Universität Innsbruck und BOKU, Österreich). Die enge Zusammenarbeit der Partner, die unterschiedliche wissenschaftliche und methodische Expertisen einbringen, soll neue Einblicke in die zu Grunde liegenden Prozesse während und nach dem Gefrieren von Holz und die Bedeutung hinsichtlich des Klimawandels ermöglichen. Die Ergebnisse werden dazu beitragen, das Gefrieren in den untersuchten Arten und das pflanzliche Leben in größerer Höhenlage, aber auch die Gefriertoleranz und Resilienz von Pflanzen generell besser zu verstehen.

Frost ist ein wesentlicher Faktor, der die Verbreitung von Pflanzen hinsichtlich geografischer Breite und Höhenlage limitiert. Der Klimawandel wird nicht nur zu veränderten Niederschlagsmustern und früherer Schneeschmelze führen, sondern auch zu häufigeren Klimaextremen, weshalb mit zunehmender Wintertrockenheit und Froststress bei Holzpflanzen zu rechnen ist. Im Holz kann Frost sowohl lebende als auch tote Gewebe schädigen und deren hydraulische Funktion durch die Induktion von Embolien beeinträchtigen. Embolien (Gaseinschlüsse in den Leitbahnen) blockieren den Wassertransport und damit die Versorgung der Krone, weshalb Pflanzen diese Blockaden durch Reparatur oder Neubildung von Holzgewebe kompensieren müssen. Im Projekt "Acoufollow" - einer Kooperation zwischen dem Institut für Botanik, Universität Innsbruck, Österreich sowie UMR PIAF und Geolab, Clermont-Ferrand, Frankreich - wurde analysiert, wie Pflanzen diese Frostschädigungen des Holzes überwinden können. An sechs Laub- und Nadelbaumarten (Ahorn, Alpenrose, Fichte, Lärche, Wacholder, Vogelbeere) wurde die Reparatur Frost-induzierter Embolien in kontrollierten Temperaturkammer-Experimenten und in Feldstudien, die sowohl ein Monitoring unter natürlichen Bedingungen als auch Schneemanipulationsexperimente beinhalteten, untersucht. Die Analysen stützten sich auf Messungen von Ultraschallemissionen, Schwankungen im Stammdurchmesser, Holzanatomie und weiteren, ergänzenden Methoden (Druckmessungen im Holz, Infrarotaufnahmen, hydraulische Messungen, Mikrometeorologie etc.). Die an der alpinen Waldgrenze durchgeführten Untersuchungen belegten relevante Schädigungen der Pflanzen bei einem dauerhaften Fehlen einer schützenden Schneedecke. Die betroffenen Bäume zeigten erhöhten Trockenstress, Leitfähigkeitsverluste, Zellschäden, Wachstumseinbußen, und zum Teil wurde sogar ein Absterben beobachtet. Eine kurzfristige Reduktion der Schneedecke im Frühjahr führte hingegen zu keinen Beeinträchtigungen. Ein Vergleich zwischen jungen Bäumen und Sträuchern zeigte, dass Straucharten empfindlicher auf eine Abnahme der Schneedecke reagierten. Dies dürfte auf Unterschiede in der Hydraulik von Sträuchern und Bäumen zurückzuführen sein, wie in einem Literaturreview gezeigt werden konnte. Die Erholung von Winterschäden in der folgenden Vegetationsperiode war bei allen Arten wesentlich vom Ausmaß der Leitfähigkeitsverluste und Zellschäden im Holz abhängig. Weitere Experimente der französischen Kooperationspartner zeigten Änderungen der Druckverhältnisse im Holz während der Eisbildung und die Auswirkungen auf die Wasserreserven nach der Frostperiode. Diese Messungen ermöglichten auch die Entwicklung eines Modelles für die Gefrierprozessen in Holz. Weiters erfolgten dendroökologische Messungen bei Spirke und Alpenrose an Standorten in Frankreich und Tirol, um Auswirkungen von extremen Frostereignissen auf die Holzbildung nachzuweisen. Die Untersuchungen belegen, dass Frost ein relevanter Stressfaktor für Holzpflanzen ist und dass durch den Klimawandel erhöhte Belastungen auftreten können. Die nachgewiesenen artspezifischen Reaktionen sind wesentlich für das Verständnis der pflanzlichen Frosttoleranz und -resilienz und damit für eine Abschätzung zukünftiger Entwicklungen unter sich ändernden Klimabedingungen.