Wasserspeicherung in alpinen Koniferen

Koniferen an der alpinen Waldgrenze sind im Winter extremen Bedingungen ausgesetzt, die zu massiven Beeinträchtigungen des Wassertransportsystems (Embolien) als auch zu Schädigungen der Nadeln führen. Vorhergehende Studien deuten darauf hin, dass interne Wasserspeicher zur Vermeidung oder Reparatur von Schäden von Bedeutung sind. In vorliegendem Projekt sollen diese Wasserspeicher untersucht werden. Wir nehmen an, dass alpine Bäume über große Speicher in Xylem, Rinde und Nadeln verfügen. Es ist zu erwarten, dass der Wassergehalt in diesen Speichern saisonalen Schwankungen unterliegt und die beobachteten Muster von Wasserpotentialen innerhalb der Bäume bedingt. Das gespeicherte Wasser dürfte von Bedeutung sein um Trockenstress während des Winters zu minimieren bzw. zu vermeiden und eine Voraussetzung für Refillingvorgänge im Spätwinter und Frühjahr darstellen. Im Projekt werden die zwei dominanten Koniferen der Zentralalpen, Picea abies und Pinus cembra, untersucht. Picea abies weist während des Winters tiefe Wasserpotentiale und hohe Embolieraten auf, Pinus cembra vermeidet hingegen kritische Wasserpotentiale durch einen effektiven Transpirationsschutz und vermutlich durch große Wasserreservoirs. Neben hydraulischen Standardmethoden (z.B. Scholandermethode, Sperry-Methode, gravimetrischen Messungen) werden die Zentrifugationstechnik zur Embolieinduktion und ein portables Ultraschallsystem zum Nachweis von Embolieereignissen eingesetzt. Die Wasserreservoirs der beiden Spezies werden quantifiziert und der Zusammenhang zwischen Wasserpotentialen und Wassergehalt bestimmt werden. Es wird die Verwundbarkeit der Nadeln gegenüber Trockenstress und der saisonale Verlauf von Nadelschädigungen analysiert und aufbauend auf diesen Daten wird die Bedeutung und Dynamik interner Wasserreservoirs untersucht. In einem Testfeld mit jungen und ausgewachsenen Bäumen wird der Boden und Xylemabschnitte künstlich gefroren, um Wasserpotential- und Emboliemuster, interne Wasserverschiebungen und Nadelschädigungen zu beobachten. Die Messungen sollen letztendlich zu einem Modell führen, mit dem - auf Basis von mikrometeorologischen Daten - der Wasserhaushalt alpiner Bäume simuliert werden kann. Die Modellkalkulationen sollen durch Messungen an ausgewachsenen Bäumen an der alpinen Waldgrenze validiert werden. Das vorliegende Projekt wird wesentlich zum Verständnis des Wasserhaushaltes von alpinen Koniferen beitragen. Dies ist von Bedeutung, da die physiologische Ursache für die höhenmäßige Verbreitung der Lebensform "Baum" noch immer nicht bekannt ist. Außerdem stellen Waldgrenzbäume ideale Modellorganismen für die Untersuchung hydraulischer Aspekte, die für Bäume von genereller Bedeutung sind, dar.

Koniferen an der alpinen Waldgrenze sind im Winter extremen Bedingungen ausgesetzt, die sowohl zu massiven Beeinträchtigungen des Wassertransportsystems (Unterbrechungen des Leitsystems durch Gaseinschlüsse, Embolien) als auch zu Schädigungen lebender Gewebe führen. Vorhergehende Studien deuten darauf hin, dass interne Wasserspeicher von Bedeutung für die Vermeidung und/oder Reparatur von Schäden sind. In vorliegendem Projekt wurde die Wasserspeicherung in der oberirdischen Biomasse von zwei dominanten Koniferen der Zentralalpen, Fichte (Picea abies) und Zirbe (Pinus cembra), untersucht. Dazu wurde das Wasserreservoir in Xylem, Rinde und Nadeln der Krone quantifiziert und mit dem Wasserpotential als zentrale Größe der pflanzlichen Hydraulik verknüpft. Auf Basis dieser Untersuchungen wurde ein Modell zur Abschätzung der internen Wasserspeicher der untersuchten Koniferenarten erstellt. Diese Daten wurden wiederum mit der Trockenheitsresistenz lebender Gewebe und der Embolieresistenz des Xylems (Holz) korreliert, um Aussagen über die Effizienz und Bedeutung der internen Wasserspeicher zu ermöglichen. Besonders intensiv untersucht wurde die Dynamik der Wasserspeicherung im Spätwinter, da in dieser Periode Embolien aus dem Xylem der Bäume beseitigt werden. Die Ergebnisse zeigen, dass interne Wasserspeicher winterlichen Trockenstress abpuffern, eine rasche Erholung der Wasserpotentiale im Spätwinter ermöglichen und wesentlich für die Wiederherstellung der Leitfähigkeit sind. Die ökophysiologische Relevanz wurde auch nachgewiesen, indem die Dauer des Bodenfrostes im Frühjahr mit einem Kühlsystem künstlich verlängert wurde. Eine Verlängerung des Bodenfrostes um nur wenige Wochen führte zu einer massiven Schädigung der Bäume. Im Rahmen des Projektes wurden zudem weiterführende Untersuchungen zur Hydraulik von Koniferennadeln, zur kombinatorischen Wirkung von Trockenstress und mechanischer Belastung, zur Optimierung der Ultraschallemissionsanalyse, zur Hydraulik weiterer Arten sowie Dendrometer- und Stamm-Tomographieanalysen durchgeführt.Das vorliegende Projekt ermöglichte neue, wesentliche Einblicke in die Hydraulik von Bäumen und das faszinierende Leben und Überleben von Koniferen an der alpinen Waldgrenze. In Achsen und Nadeln gespeichertes Wasser ermöglicht diesen Bäumen winterlichen Trockenstress zu vermindern und Schäden zu reparieren. Die Erkenntnisse sind sowohl für die Grundlagenforschung als auch für angewandte Aspekte im Bereich alpiner Wälder mit deren vielfältigen sozio-ökologischen Funktionen relevant. Auf Basis dieses Projektes sind weitere Untersuchungen, insbesondere hinsichtlich Effekten des Klimawandels und intraspezifischer Anpassungen, geplant.