Wassertransport in Nadeln von alpinen Koniferen

An der alpinen Waldgrenze treten während des Winters massive Embolien im Holz bzw. Xylem von Koniferen auf. Im Rahmen von vorhergehenden Studien wurden die Entstehung von Embolien, Anpassungsmechanismen sowie Effekte auf das Leben der Bäume an der Waldgrenze analysiert. Diese Studien konzentrierten sich auf die Verhältnisse im Xylem von Stamm und Ästen, während Informationen zum lebenswichtigen Organ "Nadel" weitgehend fehlen. Das beantragte Projekt hat die Untersuchung des Wassertransportsystems von Koniferennadeln zum Ziel. Es basiert auf der Hypothese, dass das Xylem der Nadeln verwundbarer gegenüber Trockenheit und Gefrier-Tau Ereignissen ist, jedoch eine ähnliche hydraulische Effizienz wie das Xylem in Zweigen aufweist. An der alpinen Waldgrenze erwarten wir während des Winters extreme Embolieraten, die in der Folge zu Schädigungen der Nadeln und zu Beeinträchtigungen der photosynthetischen Kapazität der Nadel-Biomasse führen. Außerdem vermuten wir eine Bedeutung der Nadel bei Wiederbefüllungs-Vorgängen. Beobachtungen an der alpinen Waldgrenze und Untersuchungen im Labor sollen eine Überprüfung dieser Hypothesen ermöglichen. Mit einer neu entwickelten Methode zur Messung von Leitfähigkeiten in Koniferennadeln wird der Jahresverlauf der Emboliegrade an der alpinen Waldgrenze in Fichte und Zirbe analysiert werden. Mit diesen Messungen werden auch Wiederbefüllungs-Vorgänge im Frühjahr untersucht. Zusätzlich soll das Muster von Embolien innerhalb des Baumes mit jenem von im Frühjahr sichtbaren Schäden an den Nadeln verglichen werden. In den Labors wird zudem die hydraulische Effizienz und die Trockenheit- bzw. Gefrier-Tau induzierte Verwundbarkeit verschiedener Koniferenarten untersucht und mit anatomischen Messungen korreliert. In einem weiteren experimentellen Ansatz werden die Auswirkungen auf die Photosynthese durch künstliche Induktion von Embolien im Nadelxylem mittels Druckkragen untersucht. Das beantragte Projekt ermöglicht die Entwicklung einer neuen Methode zur Analyse des Wassertransportsystems von Koniferen und Einblicke in die hydraulischen Eigenschaften von Koniferennadeln. Es wird unser Wissen über den Wasserhaushalt von Bäumen an der alpinen Waldgrenze und dessen Bedeutung für die Bildung der alpinen Waldgrenze erweitern.

Die Nadeln von Koniferen stellen nicht nur die Organe für die Photosynthese sondern auch wichtige hydraulische Widerstände im Wassertransportsystem des Baumes dar. Fehlfunktionen dieses Systems führen zu Wassermangel, Schluss der Spaltöffnungen und Gewebeschädigungen. Vorangegangene Projekte zeigten, dass das Transportsystem in Stamm und Ästen von Koniferen an der alpinen Waldgrenze durch Embolien (Unterbrechungen der kontinuierlichen Wassersäulen) während des Winters beeinträchtigt ist, Untersuchungen an Nadeln fehlten jedoch. Deshalb wurde in diesem Projekt die Hydraulik von Koniferennadeln, insbesondere deren hydraulische Leitfähigkeit, Resistenz gegen Embolien, das Auftreten von Embolien an der Waldgrenze und die Rolle der Nadeln bei Reparaturprozessen (Refilling) analysiert. Die Messungen der hydraulischen Leitfähigkeit von Nadeln wurden mit einer neuen, auf der Einbettung von Nadeln in Paraffin basierenden Methode durchgeführt. Zur Analyse der hydraulischen Sicherheit wurden zudem neue Techniken im Bereich der Ultraschallemissionsanalyse und Zentrifugationsmethode entwickelt. Die Messungen zeigten, dass in Koniferennadeln der größte hydraulische Widerstand außerhalb des Xylem liegt, während die Leitfähigkeit des Nadelxylems der hydraulischen Leitfähigkeit von Astxylem ähnelt. Im Gegensatz dazu wiesen die Nadeln mehrerer Arten eine im Vergleich zu Ästen höhere Verwundbarkeit gegenüber Embolien auf. Dem entsprechend wurden auch an der Waldgrenze während des Winters Hinweise auf hohe Emboliegrade in Nadeln gefunden. Die Intensität der Winter-Embolien korrelierte mit der Intensität der Nadelschädigungen im darauf folgenden Frühjahr. Saisonale Verläufe der Emboliegrade und Experimente an der alpinen Waldgrenze zeigten auch, dass Nadeln eine wichtige Rolle bei der Reparatur von Embolien im Spätwinter und Frühjahr spielen: Das Refilling startete in distalen Astabschnitten und in Experimente mit Deuterium-markiertem Wasser wurde nachgewiesen, dass bis zu 50% des Xylemsaftes von einer Wasseraufnahme über die Zweigoberfläche stammen. Mit diesem Projekt konnte die Bedeutung der Hydraulik von Koniferennadeln demonstriert werden. Koniferennadeln beinhalten ein komplexes und miteinander vernetztes System von hydraulischen Widerständen, die auf andere Widerständen innerhalb des Baumes abgestimmt sind. Diese Studie erweitert unsere Kenntnisse über den Wasserhaushalt von Koniferen an der alpinen Waldgrenze und über das - jeweils nach dem Auftreten exzessiver Embolien stattfindende - Refilling. Diese Erkenntnisse sind sowohl für die Grundlagenforschung als auch für angewandte Aspekte im Bereich alpiner Wälder mit deren vielfältigen sozio-ökologischen Funktionen relevant.