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Waldgrenze - Effekte nach Sommer- und Wintertrockenheit

Timberline - Legacy effects after summer and winter drought

Stefan Mayr (ORCID: 0000-0002-3319-4396)
  • Grant-DOI 10.55776/P32203
  • Förderprogramm Einzelprojekte
  • Status beendet
  • Projektbeginn 01.10.2019
  • Projektende 30.09.2025
  • Bewilligungssumme 528.297 €

Wissenschaftsdisziplinen

Biologie (75%); Land- und Forstwirtschaft, Fischerei (25%)

Keywords

    Plant hydraulics, Legacy effects, Global change, Alpine timberline, Hydraulic recovery, Drought stress

Abstract Endbericht

Die aufgrund des Klimawandels zunehmende Trockenheit ist für den Wassertransport von Pflanzen kritisch. Trockenheit aber auch Gefrier-Tau-Zyklen können zu einer Unterbrechung des Transportes und damit zum Absterben von Blättern oder Trieben führen. Pflanzen versuchen dies zu vermeiden, indem sie die Transpiration einschränken oder resistente Holzstrukturen aufbauen. Manche Arten können das Wassertransportsystem auch reaktivieren, indem neues Holz (Xylem) gebildet oder beschädigte Leitelemente repariert werden. Es ist bekannt, dass Bäume der Waldgrenze extreme Beeinträchtigungen im Wassertransport erleiden und mit Hilfe von Reparaturmechanismen überleben. Unser Wissen über kombinierte Stresswirkungen, Gegenstrategien und Langzeit-Effekte, räumliche Muster in der Hydraulik sowie Effekte unterschiedlicher Stressintensitäten ist jedoch gering. Im Fokus des Projektes stehen alpine Koniferen und die folgenden Fragestellungen: A. Effekte von Sommer- und Winterstress auf Waldgrenzbäume: Wir erwarten, dass sommerliche Trockenheit in Kombination mit Winterstress eine erhöhte Verwundbarkeit und Schäden im Wassertransportsystem verursacht. Trotz Reparatur dürften diese Schäden zu Langzeit-Effekten in Wasserhaushalt und Wachstum führen. B. Hydraulische Architektur des Xylems und hydraulische Muster: Wir erwarten ausgeprägte Muster innerhalb des Transportsystems von Waldgrenzkoniferen mit hohen Leitfähigkeiten und Verwundbarkeiten in Stamm und Wurzeln. C. Effekte der Stressdauer und intensität: Wir erwarten, dass Jungbäume empfindlicher auf Trockenstress reagieren als ältere Bäume und dass Reparaturprozesse bei anhaltendem, moderaten Stress effizienter sind als nach kurzem, intensiven Stress. Dieses Projekt nutzt ein an der Waldgrenze bestehenden Regenausschlussexperiment, wo gestresste und Kontrollbäume während Stress- und Reparaturperioden sowie die entsprechenden Langzeiteffekte beobachtet werden können. Wir untersuchen den Wassertransport in unterschiedlichen Teilen der Bäume bis auf das Niveau der Jahrringe und analysieren die Wasseraufnahme aus unterschiedlichen Bodentiefen. Zusätzlich werden Kombinationen von sommerlicher Trockenheit und Winterstress an Jungbäumen simuliert und Effekte auf den Wassertransport und Reparaturstrategien untersucht. Neben dem Einsatz hydraulischer, mikroklimatischer und ökophysiologsicher Methoden werden neue Methoden zu Analyse der Stammhydraulik entwickelt. Das Projekt wird von Stefan Mayr, Institut für Botanik und Michael Bahn, Institut für Ökologie, Universität Innsbruck, Experten in alpiner Physiologie und Ökologie, durchgeführt. Kooperationspartner sind Andrea Nardini (Trieste, Italy), Hervé Cochard (INRA, France), Georg von Arx (WSL, Switzerland) sowie nationale Institutionen. Die Ergebnisse werden das Verständnis des pflanzlichen Wasserhaushaltes im Allgemeinen und von Bäumen in größeren Höhenlagen verbessern und relevant für das Management und die zukünftige Entwicklung von Gebirgsökosystemen sein.

Die mit dem Klimawandel zunehmende Trockenheit ist für den Wasserhaushalt von Pflanzen herausfordernd. Trockenheit kann insbesondere das Transportsystem und in der Folge die Vitalität und das Wachstum von Bäumen beeinträchtigen. In Bergwäldern, die zusätzlich intensivem Winterstress ausgesetzt sind, ist dies wegen ihrer Schutzfunktion von besonderer Relevanz. In diesem von Stefan Mayr und Michael Bahn, Universität Innsbruck in Kooperation mit diversen Partnern durchgeführten Projekt wurden die Langzeiteffekte von kombiniertem Trocken- und Winterstress, Effekte unterschiedlicher Stressintensitäten, Gegenstrategien und die hydraulische Architektur Alpiner Bäume untersucht: (i) In einem Regenausschlussexperiment an der Waldgrenze wurden Fichten und Lärchen über mehrere Sommer künstlicher Trockenheit ausgesetzt. Die wiederholte Trockenheit resultierte in zunehmenden Wasserdefiziten (ungünstiges Wasserpotential), vermindertem Saftfluss und verringertem Wachstum, insbesondere bei der Fichte. Zudem führte die Sommertrockenheit bei manchen Bäumen zu Schäden im Wasserstransportsystem während des Winters, die jedoch durch Aufnahme von Wasser über die Zweige repariert wurden. Die Wachstumseffekte waren auch nach Beendigung der experimentellen Trockenheit über mehrere Jahre nachweisbar. (ii) Untersuchungen zur hydraulischen Architektur zeigten deutliche Unterschiede zwischen Wurzeln und Ästen in allen untersuchten Koniferen- und Laubholzarten. Die Wurzeln wiesen eine jeweils geringere Resistenz gegenüber ungünstigen Wasserpotentialen auf, zeigten aber eine höhere hydraulische Leitfähigkeit. Dies spiegelte sich auch in der Anatomie wider. Diese hydraulische Architektur, zum Teil mit Anpassungen der Resistenz bei Trockenheit, war bei Koniferen besonders ausgeprägt. (iii) In Experimenten mit jungen Fichten, die sommerlicher Trockenheit und Winterstress ausgesetzt wurden, konnten ebenfalls Beeinträchtigungen des Wachstums festgestellt werden. Da das Wassertransportsystem dabei aufgrund nur moderater Wasserpotentiale kaum geschädigt war, belegt dies die hohe Sensitivität von Wachstumsprozessen bei Trockenheit. (iv) Im Rahmen des Projektes wurden zudem mehrere neue Methoden etabliert. Für die Elektrotomographie von Stämmen wurde die Analytik optimiert und eine Apparatur zur Durchflussmessung an Bohrkernen aus Baumstämmen entwickelt. Weiters wurde die Messung von Wasserpotentialen verbessert, dazu eine Messkammer für Koniferennadeln konstruiert sowie eine Druckapparatur zur experimentellen Unterbrechung des Wassertransportes in Baumstämmen entwickelt. Die Ergebnisse zeigen, dass sowohl der Wasserhaushalt als auch das Wachstum von Alpinen Bäumen durch wiederholte Trockenperioden im Sommer und Winterstress beeinträchtigt werden. Dem entsprechend sind weitreichende, jedoch artspezifische (etwa aufgrund der hydraulischen Architektur) Auswirkungen des Klimawandels auf die Vitalität von Bäumen zu erwarten. Die beobachteten Effekte sind für Bäume an der Waldgrenze relevant, konnten aber auch für Bäume tieferer Lagen sowie Sträucher nachgewiesen werden, und spielen etwa auch nach Waldbränden eine bedeutende Rolle. Auf Basis dieses Projektes sollen die Langzeitbeobachtungen fortgeführt und die Untersuchungen auf weitere Arten ausgedehnt werden.

Forschungsstätte(n)
  • Universität Innsbruck - 100%
Internationale Projektbeteiligte
  • Hervé Cochard, Institut National de la Recherche Agronomique - Frankreich
  • Andrea Nardini, University of Trieste - Italien
  • Georg Von Arx, Eidgenössische Forschungsanstalt für Wald, Schnee und Landschaft (WSL) - Schweiz

Research Output

  • 259 Zitationen
  • 34 Publikationen
  • 2 Künstlerischer Output
  • 5 Methoden & Materialien
  • 10 Disseminationen
  • 1 Wissenschaftliche Auszeichnungen
Publikationen
  • 2024
    Titel The response of shrubs and trees to snow cover changes in the Alps
    Typ Other
    Autor Mayr S
    Konferenz 53rd Annual Conference: German Ecological Society (GfÖ), Freising, Germany
  • 2024
    Titel Eight year simulated drought for inferring the impact of climate change on soil communities in alpine spruce and larch forest.
    Typ Other
    Autor Neurauter M
    Konferenz International Conference On Mycorrhiza, Manchester, GB
  • 2025
    Titel Impact of Recurrent Droughts on the Water Use and Growth Dynamics of Larch and Spruce: insights from a long-term experiment in the Austrian Alps
    Typ Other
    Autor Hwang B
    Konferenz EGU General Assembly 2025, Vienna, Austria, 27 Apr-2 May 2025, EGU25-18776
    Link Publikation
  • 2025
    Titel Impact of emerging compound droughts on forests: A water supply and demand perspective.
    DOI 10.1111/plb.70080
    Typ Journal Article
    Autor Bahn M
    Journal Plant biology (Stuttgart, Germany)
  • 2025
    Titel Exploring seasonal variations in pigment and antioxidant contents, and the effects of recurrent droughts in Picea abies and Larix decidua
    Typ Other
    Autor Merkel P
    Konferenz 25th Conference of the Austrian Society of Plant Biology (ATSPB), Tulln an der Donau, Austria
  • 2025
    Titel Mixed forest stand and site conditions buffer effects of recurring drought on ectomycorrhizal and soil bacterial and fungal communities in a subalpine spruce and larch forest.
    Typ Other
    Autor Neurauter M
    Konferenz International Mountain Conference (IMC2025), Innsbruck, Austria
  • 2023
    Titel Post-drought recovery in juvenile and adult Norway spruce: Effects of drought duration and intensity on hydraulic function, metabolism, and growth
    Typ PhD Thesis
    Autor Knüver Timo
  • 2023
    Titel Effects of recurrent droughts and their legacies on plant functioning in mountain forest and grassland
    Typ PhD Thesis
    Autor Oberleitner Florian
  • 2023
    Titel High embolism rates in beech: a legacy triggered by the combination of drought and fire?
    Typ Other
    Autor Bär A
    Konferenz 108th Annual ESA Meeting (ESA conference 2023), Portland, USA
  • 2023
    Titel Drought legacies and ecosystem responses to subsequent drought
    Typ Other
    Autor Bahn
    Konferenz 108th Annual ESA Meeting (ESA conference 2023), Portland, USA
  • 2023
    Titel Xylem and phloem dynamics in treeline conifers under long-term drought
    Typ Other
    Autor Bahn M
    Konferenz 24th conference of the Austrian Society of Plant Biology (ATSPB 2023), Hall in Tirol, Austria
  • 2021
    Titel Cavitation fatigue in conifers: a study on eight European species
    DOI 10.1093/plphys/kiab170
    Typ Journal Article
    Autor Feng F
    Journal Plant Physiology
    Seiten 1580-1590
    Link Publikation
  • 2021
    Titel Subalpine dwarf shrubs differ in vulnerability to xylem cavitation: An innovative staining approach enables new insights
    DOI 10.1111/ppl.13429
    Typ Journal Article
    Autor Ganthaler A
    Journal Physiologia Plantarum
    Seiten 2011-2021
    Link Publikation
  • 2021
    Titel Electrical resistivity tomography reveals drought legacy effect in Norway spruce but not in European beech
    Typ Other
    Autor Knüver T
    Konferenz 23.Tagung der Austrian Society of Plant Biology (ATSPB), Seitenstetten, Austria
  • 2019
    Titel Electrical Resistivity Tomography: New insights.
    Typ Other
    Autor Bär A
    Konferenz Fourth Xylem International Meeting (XIM4), Padua, Italy
  • 2019
    Titel Water use and growth responses of Norway spruce and European larch to experimental drought at the subalpine tree line.
    Typ Other
    Autor Hasibeder R
    Konferenz International Mountain Conference (IMC2019), Innsbruck, Austria
  • 2022
    Titel Amplifying effects of recurrent drought on the dynamics of tree growth and water use in a subalpine forest
    DOI 10.1111/pce.14369
    Typ Journal Article
    Autor Oberleitner F
    Journal Plant, Cell & Environment
    Seiten 2617-2635
    Link Publikation
  • 2022
    Titel Recovery after long-term summer drought: Hydraulic measurements reveal legacy effects in trunks of Picea abies but not in Fagus sylvatica
    DOI 10.1111/plb.13444
    Typ Journal Article
    Autor Knüver T
    Journal Plant Biology
    Seiten 1240-1253
    Link Publikation
  • 2022
    Titel Leaf water potential measurements using the pressure chamber: Synthetic testing of assumptions towards best practices for precision and accuracy
    DOI 10.1111/pce.14330
    Typ Journal Article
    Autor Rodriguez-Dominguez C
    Journal Plant, Cell & Environment
    Seiten 2037-2061
    Link Publikation
  • 2020
    Titel Insights into trunks of Pinus cembra L.: analyses of hydraulics via electrical resistivity tomography
    DOI 10.1007/s00468-020-01976-x
    Typ Journal Article
    Autor Losso A
    Journal Trees
    Seiten 999-1008
    Link Publikation
  • 2022
    Titel Impact of freeze-thaw-induced pit aspiration on stem water transport in a subalpine conifer (Abies veitchii)
    DOI 10.1101/2022.04.27.489725
    Typ Preprint
    Autor Taneda H
    Seiten 2022.04.27.489725
    Link Publikation
  • 2022
    Titel Impact of freeze–thaw-induced pit aspiration on stem water transport in the subalpine conifer Abies veitchii
    DOI 10.1093/plphys/kiac388
    Typ Journal Article
    Autor Taneda H
    Journal Plant Physiology
    Seiten 1687-1698
    Link Publikation
  • 2022
    Titel Branch water uptake and redistribution in two conifers growing at the alpine treeline.
    Typ Other
    Autor Bär A
    Konferenz International Mountain Congress (IMC2022), Innsbruck, Austria
  • 2022
    Titel Xylem characteristics and formation dynamics under long-term drought: A study on conifers at the Alpine treeline.
    Typ Other
    Autor Bahn M
    Konferenz International Mountain Congress (IMC2022), Innsbruck, Austria
  • 2022
    Titel Increasing Impacts Of Recurrent Summer Drought On Tree Growth, Xylem Sap Flow And Dehydration Dynamics Of Larix Decidua And Picea Abies In A Subalpine Forest
    Typ Other
    Autor Hartmann H
    Konferenz International Mountain Conference IMC2022, Innsbruck, 13.09.2022
  • 2021
    Titel Using electrical resistivity tomography to detect wetwood and estimate moisture content in silver fir (Abies alba Mill.)
    DOI 10.1007/s13595-021-01078-9
    Typ Journal Article
    Autor Martin L
    Journal Annals of Forest Science
    Seiten 65
    Link Publikation
  • 2021
    Titel Relevance of time and spatial scales in plant hydraulics
    DOI 10.1093/treephys/tpab093
    Typ Journal Article
    Autor Mayr S
    Journal Tree Physiology
    Seiten 1781-1784
    Link Publikation
  • 2023
    Titel Integrating plant physiology into simulation of fire behavior and effects.
    DOI 10.1111/nph.18770
    Typ Journal Article
    Autor Dickman Lt
    Journal The New phytologist
    Seiten 952-970
  • 2021
    Titel Alpine dwarf shrubs show high proportions of nonfunctional xylem: Visualization and quantification of species-specific patterns
    DOI 10.1111/pce.14226
    Typ Journal Article
    Autor Ganthaler A
    Journal Plant, Cell & Environment
    Seiten 55-68
    Link Publikation
  • 2021
    Titel Branch water uptake and redistribution in two conifers at the alpine treeline
    DOI 10.1038/s41598-021-00436-x
    Typ Journal Article
    Autor Losso A
    Journal Scientific Reports
    Seiten 22560
    Link Publikation
  • 2020
    Titel Juniperus communis populations exhibit low variability in hydraulic safety and efficiency
    DOI 10.1093/treephys/tpaa103
    Typ Journal Article
    Autor Unterholzner L
    Journal Tree Physiology
    Seiten 1668-1679
  • 2019
    Titel Die hard: timberline conifers survive annual winter embolism
    DOI 10.1111/nph.16304
    Typ Journal Article
    Autor Mayr S
    Journal New Phytologist
    Seiten 13-20
    Link Publikation
  • 2019
    Titel Winter Embolism and Recovery in the Conifer Shrub Pinus mugo L.
    DOI 10.3390/f10110941
    Typ Journal Article
    Autor Mayr S
    Journal Forests
    Seiten 941
    Link Publikation
  • 2020
    Titel Effects of forest fires on trees of Alpine ecosystems
    Typ PhD Thesis
    Autor Bär Andreas
Künstlerischer Output
  • 2023 Link
    Titel Embolismo por soleá
    Typ Performance (Music, Dance, Drama, etc)
    Link Link
  • 2023 Link
    Titel Woodland
    Typ Artwork
    Link Link
Methoden & Materialien
  • 0
    Titel Bole hydraulic conductivity
    Typ Biological samples
    Öffentlich zugänglich
  • 0
    Titel Core extraction
    Typ Biological samples
    Öffentlich zugänglich
  • 0
    Titel Needle Scholander Chamber
    Typ Biological samples
    Öffentlich zugänglich
  • 0
    Titel Bole hydraulic safety
    Typ Biological samples
    Öffentlich zugänglich
  • 2019
    Titel Electric Resistivity Tomography
    Typ Biological samples
    Öffentlich zugänglich
Disseminationen
  • 2024
    Titel Alpine plants under climate change
    Typ A press release, press conference or response to a media enquiry/interview
  • 2024
    Titel Under pressure - plant hydraulics
    Typ Participation in an activity, workshop or similar
  • 2021
    Titel Guest professorship University La Laguna, Tenerifa
    Typ A formal working group, expert panel or dialogue
  • 2023 Link
    Titel "Am Puls"-Wissenschaftstalk (Stefan Mayr and Josef Fuchs): Lebe wohl, du schöner Wald! - Der Wald im Wandel
    Typ A talk or presentation
    Link Link
  • 2024 Link
    Titel Magazine article: Wie wir die Alpenwälder retten können (Pragmaticus)
    Typ A press release, press conference or response to a media enquiry/interview
    Link Link
  • 2023 Link
    Titel Pint of science: Trockenstress Bäume unter Druck
    Typ Participation in an activity, workshop or similar
    Link Link
  • 2020
    Titel Trees only live once
    Typ Participation in an open day or visit at my research institution
  • 2024 Link
    Titel Wie sich unsere Alpen verändern (Servus TV)
    Typ A broadcast e.g. TV/radio/film/podcast (other than news/press)
    Link Link
  • 2025
    Titel Vom Baum zum Haus
    Typ A talk or presentation
  • 2020 Link
    Titel PhD Seminar of the Innsbruck Doctoral College Alpine Biology and Global Change
    Typ A talk or presentation
    Link Link
Wissenschaftliche Auszeichnungen
  • 2023
    Titel Guest Editor (invited) for Special Issue of Plant Biology
    Typ Appointed as the editor/advisor to a journal or book series
    Bekanntheitsgrad Continental/International

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