KROOF 2 Experiment - Re-watering and Recovery

Da die Häufigkeit von Dürreereignissen in Zukunft voraussichtlich zunehmen wird (IPCC 2014), ist die Erholung ein weiterer wichtiger Aspekt des Überlebens von Bäumen, dem im Vergleich zu den Auswirkungen von Dürre an sich weniger Aufmerksamkeit geschenkt wurde (Ruehr et al., 2019).

Um herauszufinden, ob beide Arten ihre beeinträchtigte Funktion nach einer lang anhaltenden Dürre wieder auf das Kontrollniveau zurückbringen können, wurde das KROOF-Projekt in die Phase 2 mit einem Bewässerungsexperiment im sechsten Dürrejahr verschoben.

Im Frühsommer 2019 wurde die Erholung von der Dürre durch kontrollierte Bewässerung einzelner Dürreparzellen eingeleitet (für Einzelheiten siehe Grams et al. 2021).

Um Unterschiede zwischen trockengestressten Parzellen (TE) und Kontrollparzellen (CO) zu minimieren, wurde bei der Wiederbewässerung darauf geachtet, die TE und CO-Parzellen auf den gleichen Bodenwassergehalt zu bringen.

Um die gleichzeitige Bewässerung einer ganzen Parzelle zu erreichen, wurde ein Bewässerungssystem aus Sickerschläuchen (CS Perlschlauch Premium, CS Bewässerungssysteme, Reichelsheim, Deutschland) und Gartenschläuchen entworfen (Abbildung 1).

Im Frühsommer 2019 wurde eine kontrollierte Bewässerung der trockengestressten Parzellen (TE) eingeleitet (Einzelheiten siehe Grams et al. 2021). Alle TE-Parzellen wurden über 36 Stunden mit ca. 90 mm bewässert, und der Bodenwassergehalt stieg innerhalb einer Woche auf das Niveau der CO-Parzellen an.

Im Jahr der Wiederbewässerung und in den nachfolgenden Jahren 2019 -2023 wurde und wird untersucht, ob und inwieweit beide Arten, abhängig vom Mischungsverhältnis, nach einer längeren Dürre ihre beeinträchtigten Funktion wieder auf das Kontrollniveau zurückbringen können.

Abbildung 1: Sickerschlauchverteilung auf einer Fläche (links oben), Schema (rechts) und Detailansicht eines tropfenden Sickerschlauchs (links unten) (aus Grams et al. 2021).

Dieses kontrollierte Bewässerungssystem ermöglichte eine detaillierte Bewertung der Erholungsprozesse. Wir haben uns hauptsächlich auf die folgenden zwei Aspekte konzentriert.

1.    Schwerpunkt Wasserhaushalt
Hypothese:
a. Die anisohydrische Buche erholt sich schneller von der Trockenheit als die isohydrische Fichte
b. Gemischte Bestände erholen sich schneller als Monokulturen
Messparameter:
Bodenwassergehalt, Blattwasserpotenzial, osmotisches Potenzial der Blätter, stomatäre Leitfähigkeit der Blätter, Saftstrom

2.    Schwerpunkt Kohlenstoffbilanz: ¹³C-Markierungsexperiment zum Kohlenstofftransport und zur Kohlenstoffverteilung bei reifen Fichten nach Trockenheit
Hintergrund:
Neben Wasser ist die Versorgung der einzelnen Baumorgane mit Kohlenstoff (C) für das Überleben der Bäume von entscheidender Bedeutung. Nach einer Trockenheit erhöhen die unterirdischen C-Senken in der Regel ihren C-Bedarf, um das durch die Trockenheit geschädigte Wurzelsystem wiederherzustellen. Die Wiederherstellung der Wasseraufnahme und anderer Baumfunktionen kann nur dann erwartet werden, wenn der erhöhte C-Bedarf nach der Dürrefreigabe durch verfügbaren C gedeckt werden kann.

Hypothesen:
I.    Die durch Trockenheit verringerte Geschwindigkeit des C-Transports erholt sich schnell nach Beendigung der Trockenheit
II.    Neu assimilierter C wird nach dem Abklingen der Trockenheit bevorzugt in unterirdische C-Senken geleitet

Versuchsaufbau:
Parallel zur Bewässerung führten wir ein ¹³C-Markierungsexperiment an vier CO- und drei TE-Fichten auf benachbarten Parzellen durch (Abbildung 2a, für Details siehe Hikino et al.). Die gesamten Kronen der Fichten, d. h. vier CO- und drei TE-Bäume, wurden mit ¹³C-verarmtem Tank-CO₂ (δ¹³C von -44,3 ± 0,2‰) begast, wobei mikroperforierte PVC-Schläuche verwendet wurden, die vertikal an einer Trägerstruktur hingen (Abbildung 2b). Für die Hypothese I (C-Transport) wurde die Ankunftszeit des ¹³C-Tracers im CO₂-Austritt des Stammes und des Bodens sowie in den Spitzen der lebenden Feinwurzeln bestimmt, um zu berechnen: 1) die oberirdischen Kohlenstofftransportraten von der Krone zur Stammbasis (CTRoben in m h-1), 2) die unterirdischen Kohlenstofftransportraten von der Stammbasis zum CO₂-Efflux im Boden (CTRunten in m h-1) und 3) die Inkorporationszeit der ¹³C-Markierung in Feinwurzelspitzen (Abbildung 3). Für Hypothese II untersuchten wir den C-Bedarf des gesamten Baumes und die Allokation des neu assimilierten C. Hier wurde das Schicksal des ¹³C-Tracers in verschiedenen ober- und unterirdischen C-Senken verfolgt (Abbildung 4).

Abbildung 2: (a) Übersicht über die beiden 13C-markierten Flächen (CO = Kontrolle, TE = Ausschluss von Durchwuchs) mit Angabe der Positionen der Bäume (rote Dreiecke = markierte Fichten, grüne offene Kreise = Buchen), der Probenahmepositionen der Kronenluft (blaue Kreise), des CO2-Ausstoßes aus dem Stamm (x) und des CO2-Ausstoßes aus dem Boden (gelbe Kreise). (b) Bild des Aufbaus für die 13C-Markierung mit vertikal durch die Fichtenkronen hängenden PVC-Schläuchen. (entnommen aus Hikino et al. 2022)

Abbildung 3: Überblick über die in dieser Studie untersuchten Kohlenstofftransportwege. (1) Oberirdische Kohlenstofftransportraten (CTRabove, in m h-1) von der Krone zur Stammbasis (bewertet als CO2-Ausstoß aus dem Stamm), (2) Unterirdische Kohlenstofftransportraten (CTRbelow, in m h-1) von der Stammbasis zum CO2-Ausstoß aus dem Boden und (3) Inkorporationszeit (in h) von aktuellen Photoassimilaten von der Stammbasis zu den Feinwurzelspitzen. (entnommen aus Hikino et al. 2022)

Abbildung 4: Überblick über die in dieser Studie untersuchten C-Senken zur Verfolgung des Verbleibs von neu assimiliertem C (aus Hikino & Danzberger et al. 2022)

Messparameter:

CO₂-Assimilationsraten der Blätter, C-Bedarf des gesamten Baumes und Allokation des neu assimilierten C in CO₂-Efflux und Wachstum von Ästen, Stämmen, Grob- und Feinwurzeln, Ektomykorrhizen, Wurzelexsudaten und Boden