Waldgrenze - Effekte nach Sommer- und Wintertrockenheit

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.