Coordinated Tree Responses to Drought -Vulnerability and Sustainable Production: Hypotheses on Arid Ecosystem Adjustments to Limitations in Water Resources

Koordinierte Baum-Reaktionen auf Trockenheit - Anfälligkeit und nachhaltiges Wachstum: Hypothesen über aride Ökosystem-Anpassungen auf Begrenzung von Wasserresourcen

Field and controlled greenhouse experiments were carried out to investigate tree responses to declining soil water content. Field experiments were conducted on naturally growing trees of Acacia tortilis and A. xanthophloea in the savanna region of Kenya and Quercus suber in the Mediterranean region of Portugal. The selected field sites were regions that experience regular drought periods during the year. Greenhouse experiments constituted two watering regimes. Seedlings of A. tortilis and A. xanField and controlled greenhouse experiments were carried out to investigate tree responses to declining soil water content. Field experiments were conducted on naturally growing trees of Acacia tortilis and A. xanthophloea in the savanna region of Kenya and Quercus suber in the Mediterranean region of Portugal. The selected field sites were regions that experience regular drought periods during the year. Greenhouse experiments constituted two watering regimes. Seedlings of A. tortilis and A. xanthophloea grown from seeds initially obtained from the Kenya field site were raised and arranged on a greenhouse bench into two groups per species. The first set of plants were watered every other day (controls) while the second set were watered every seven days (water stress treatments). Field measurements included weather parameters, soil and plant water status, growth, sap flux density, leaf transpiration and stomatal conductance, tissue water relations and isotope labeling. Similar measurements were conducted on plants growing in the greenhouse. Also examined in the greenhouse were root biomass, root structure as well as whole plant biomass accumulation. A second set of experiments was carried out in the greenhouse by subjecting plants initially stressed and non-stressed to severe water stress by withholding water until plants were wilted overnight. The wilted plants were then re-watered regularly and their recovery after stress alleviation was monitored. Declining soil water content significantly affected plant water status in all the trees studied. Lowest psi pd recorded during the study period occurred in the month of June and were –2.0 and –1.1 MPa for A. xanthophloea and A. tortilis respectively. The same species subjected to repeated water stress in the greenhouse attained mean minimum psi pd of –2.4 and –1.2 MPa for A. xanthophloea and A. tortilis respectively at the end of the drying cycle. Mean minimum psi pd recorded for Q. suber during summer was –1.8 MPa and occurred in September. There were however, significant differences among trees. Decline in psi associated with increasing soil drought led to decline in leaf initiation and leaf expansion and both processes ceased at higher water stress levels. For the Acacia species, even leaf shedding occurred at higher stress levels. There was also a decline in stomatal conductance (gs) during water stress, leading to decrease in transpiration rates (E). Maximum stomatal conductance of 340 mmol m-2 s-1 were observed during rainy seasons for the Acacia trees while mean maximum values of 300 mmol m-2 s-1 were recorded for Q. suber when soil moisture conditions were favorable. Stomatal conductance declined by 31%, 67% and 67% in A. tortilis and A. xanthophloea in the savanna and Q. suber in the Mediterranean regions respectively. Daily tree water use (Qtree) as well as leaf transpiration reflected changes in psi and gs. Root to leaf hydraulic conductance equally declined with increasing soil drought. Q. suber trees adjusted osmotically by a magnitude of 0.7 MPa, while bulk modulus of elasticity (epsilon) increased by a magnitude of 17 MPa. Osmotic adjustment of 0.48 MPa was observed in greenhouse plants of A. tortilis while epsilon declined by a magnitude of 7 MPa in A. xanthophloea. A. tortilis plants in the greenhouse showed increased absolute root growth, root depth and root:shoot (r:s) ratio. The dimorphic rooting pattern in Q. suber resulted into hydraulic lift and this could as well occur in A. tortilis because of similarity in their rooting patterns. Most plant responses were reactionary and were aimed at enhancing soil water uptake and reducing transpiration water loss when soil water content was declining. Similar responses were observed for both greenhouse and naturally growing field plants of the same species. Decline in leaf initiation and leaf expansion as well as leaf senescence reduced tree crown size hence potential tree transpiration. This however, had negative impact on plant productivity. Increased root growth as well as osmotic adjustment increased tree water uptake from the soil. The balance between root water uptake and leaf transpiration through growth and stomatal regulation was aimed at protecting xylem integrity. The overall results showed that soil characteristics, root activities and root distribution patterns are the main factors determining tree functioning and productivity in drylands, while the coordinated interaction between the aboveground shoot and belowground root activities ensures survival during drought. Maintained production and survival will ensure distribution and success in the arid environments. Repeated water stress imparted water stress resistance qualities on seedlings enabling them to survive longer during severe stress. The study emphasizes the role of soil resource base as well as species interactions in the functioning and balance of dryland ecosystems.show moreshow less
Im Rahmen der vorliegenden wurden Experimente in Freiland und Gewächshaus durchgeführt, um die Reaktionen von Bäumen auf abnehmenden Bodenwassergehalt zu untersuchen. Freilanduntersuchungen wurden an Acacia tortilis und A. xanthophloea in der Savannenregion Kenias und Quercus suber in der mediterranen Region Portugals durchgeführt. In den ausgesuchten Regionen treten während des Jahres Dürreperioden auf. Die Experimente im Gewächshaus wurden unter zwei Bewässerungsbedingungen vorgenommen. HierfüIm Rahmen der vorliegenden wurden Experimente in Freiland und Gewächshaus durchgeführt, um die Reaktionen von Bäumen auf abnehmenden Bodenwassergehalt zu untersuchen. Freilanduntersuchungen wurden an Acacia tortilis und A. xanthophloea in der Savannenregion Kenias und Quercus suber in der mediterranen Region Portugals durchgeführt. In den ausgesuchten Regionen treten während des Jahres Dürreperioden auf. Die Experimente im Gewächshaus wurden unter zwei Bewässerungsbedingungen vorgenommen. Hierfür wurden Setzlinge von A. tortilis und A. xanthophloea im Gewächshaus in 2 Gruppen pro Art aufgeteilt. Die erste Gruppe wurde jeden zweiten Tag gegossen (Kontrolle), während die zweite Gruppe siebentägig gegossen wurde (Trockenstressbehandlung). Die Freilandmessungen beinhalteten Wetterparameter, Boden- und Pflanzenwasserzustand, Wachstum, Saftflussdichte, Blatttranspiration, stomatäre Leitfähigkeit und Gewebewasserzustand. Ähnliche Messungen wurden an den im Gewächshaus wachsenden Pflanzen vorgenommen. Hier wurden auch Wurzelbiomasse, Wurzelstruktur und Biomasseakkumulation der gesamten Pflanze untersucht. Der abnehmende Bodenwassergehalt beeinflusste signifikant den Pflanzen-Wasserzustand in allen untersuchten Bäumen. Der niedrigste gemessene Wert für Psi pd während der Untersuchungsperioden wurde im Juni gefunden, und zwar -2.0 und -1.1 MPa für A. xanthophloea bzw. A. tortilis. Die selben Arten, die im Gewächshaus wiederholtem Trockenstress ausgesetzt waren, erreichten ein mittleres Minimum des Psi pd von -2.4 und -1.2 MPa für A. xanthophloea und A. tortilis am Ende der Austrocknungsphase. An Q. suber wurde ein mittleres minimales Psi pd von -1.8 MPa während des Sommers gemessen, und zwar im September. Es gab jedoch signifikante Unterschiede zwischen den Bäumen. Die Abnahme von Psi in Zusammenhang mit steigender Bodentrockenheit führte zur Abnahme der Blattinitiation und Blattexpansion, und beide Prozesse hörten bei höherem Trockenstessniveau auf. Die Acacia-Arten warfen auch Blätter ab. Während des Trockenstresses verringerte sich auch die stomatäre Leitfähigkeit (gs), was zur Abnahme der Transpirationsraten (E) führte. Die maximale stomatäre Leitfähigkeit von 340 mmol m-2 s-1 für die Akazienbäume wurde während der Regenzeit gemessen, die mittleren Maximalwerte von 300 mmol m-2 s-1 für die Korkeichen bei günstigen Bodenfeuchtigkeitsbedingungen. Die stomatäre Leitfähigkeit verringerte sich um 31 %, 67 %, und 67 % in A. tortilis und A. xanthophloea in der Savanne und Q. suber in der mediterranen Regionen. Der tägliche Wasserverbrauch der Bäume (Qtree) und auch die Blatttranspiration spiegelten Änderungen in Psi und gs wider. Die hydraulische Leitfähigkeit zwischen Wurzel und Blatt verringerte sich gleichermaßen mit steigender Bodentrockenheit. Die Korkeichen-Bäume passten sich osmotisch in einer Größenordnung von 0.7 MPa an, während sich der Elastizitätsmodul (Epsilon) in einer Größenordnung von 17 MPa erhöhte. Eine osmotische Anpassung von 0.48 MPa wurde bei den Gewächshauspflanzen von A. tortilis beobachtet, während sich bei A. xanthophloea Epsilon um 7 MPa verringerte. Die A. tortilis-Pflanzen zeigten im Gewächshaus ebenfalls erhöhtes absolutes Wurzelwachstum, Wurzeltiefe und Wurzel-Spross-Verhältnis. Die dimorphe von Q. suber resultierte in diurnaler Wasserhebung ("hydraulic lift"), und dies könnte aufgrund der ähnlichen Wurzelverteilung auch bei A. tortilis geschehen. Die meisten Pflanzenreaktionen richteten sich auf verstärkte Bodenwasseraufnahme und reduzierten Transpirationswasserverlust wenn sich der Bodenwassergehalt verringerte. Ähnliche Reaktionen wurden für Pflanzen der gleichen Art sowohl im Gewächshaus als auch im Freiland beobachtet. Die Verringerung der Blattinitiation und -expansion sowie die Blattseneszenz reduzierten die Größe der Baumkronen und folglich der potentiellen Baumtranspiration. Dies jedoch hatte negativen Einfluss auf die Pflanzenproduktivität. Erhöhtes Wurzelwachstum ebenso wie osmotische Anpassung erhöhten die Wasseraufnahme der Bäume aus dem Boden. Die Ausgeglichenheit zwischen Wurzelwasseraufnahme und Blatttranspiration durch Wachstum und Stomataregulation zielte auf den Schutz der Xylemintegrität. Die Ergebnisse zeigten insgesamt, dass Bodencharakteristika, Wurzelaktivität und Wurzelverteilungsmuster die Hauptfaktoren für die Baumfunktion und Produktivität in Trockengebieten sind, während die koordinierten Interaktionen zwischen den oberirdischen Spross- und den unterirdischen Wurzelaktivitäten das Überleben während der Trockenzeiten sichern. Die Aufrechterhaltung der Produktion und das Überleben sichern Verbreitung und Erfolg in ariden Gebieten. Wiederholter Trockenstress verleiht der Keimlingen Trockenstressresistenz-Eigenschaften, die es ihnen ermöglichen, länger unter größerem Stress zu überleben. Diese Arbeit unterstreicht die Rolle der Bodenressourcen ebenso wie die der Interaktion der Arten im Funktionieren und Gleichgewicht von ariden Ökosystemen.show moreshow less

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Metadaten
Institutes:Biologie
Author: Dennis Otieno
Advisor:Prof. Dr. John Tenhunen
Granting Institution:Universität Bayreuth,Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften
Date of final exam:07.12.2004
Year of Completion:2004
SWD-Keyword:Akazie; Klimaänderung; Transpiration <Pflanzen>; Trockenheit; Wassermangel
Tag:Korkeiche; Nachhaltigkeit
Climate change; drought; savanna; sustainability; tree responses
Dewey Decimal Classification:570 Biowissenschaften; Biologie
RVK - Regensburg Classification:WI 2050
URN:urn:nbn:de:bvb:703-opus-1262
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of Publication (online):16.12.2004