Hydraulic Redistribution Potenzial und Bedeutung der horizontalen und vertikalen Wasserumverteilung über Wurzeln im Boden für einheimische Baumarten und Mischwälder unter Trockenstress - Experimente in Klimakammern und im Freilandversuch

Stipendiatin/Stipendiat: Dr. Benjamin Hafner

Über viele Jahre hinweg wurde in Deutschland die Fichte in Monokulturen an Standorten angebaut, auf denen sie nicht heimisch ist. Extremereignisse wie längere Trockenperioden sollen zukünftig zunehmen und bedrohen in verstärktem Maße diese Wälder. Mischwälder mit mehreren Baumarten erwiesen sich in Extremjahren wie 2003 als widerstandsfähiger und werden seitdem verstärkt von Politik und Wirtschaft gefordert und gefördert. Sie weisen zudem einen höheren Zuwachs als Reinbestände der jeweiligen Baumarten auf. Die zugrunde liegenden Mechanismen für diese Effekte sind noch nicht vollständig verstanden. Es wird angenommen, dass die Baumarten in Mischung den vorhandenen Raum effektiver nutzen können, aber auch gegenseitig unterstützend interagieren (Facilitation). Ein wichtiger Faktor dabei ist die Verfügbarkeit von Wasser. Der Effekt der Hydraulic Redistribution (HR) ist seit Ende der 80er Jahre grundsätzlich bekannt, in Mitteleuropa bislang aber kaum erforscht. Er beschreibt die Umverteilung von Wasser durch die Wurzeln einer Pflanze im Boden. Der Vorgang geschieht passiv und folgt einem Gradienten im Wasserpotenzial von feucht zu trocken. Insbesondere bei verschieden tief wurzelnden Pflanzen in einem Mischbestand könnte HR ein bedeutender Faktor bei der Wasserversorgung sein. Pflanzen mit tief gehenden Wurzeln können Wasser aus tieferen Bodenschichten nach oben umverteilen, Pflanzen mit Wurzeln hauptsächlich im Oberboden können entlang tieferer Wurzeln Regenwasser schnell nach unten transportieren.
In insgesamt vier Experimenten soll in dieser Promotionsarbeit das Potenzial und die Bedeutung von HR - insbesondere unter Trockenheit - für heimische Baumarten eruiert werden. Zunächst soll im Klimakammer-Experiment überprüft werden, ob sich die Menge des transportierten Wassers sich zwischen verschiedenen Baumarten unterscheidet. Es wird dabei angenommen, dass eine Baumart bei sonst gleichen Bedingungen umso mehr Wasser umverteilen kann, je größer ihr Wurzel-Porendurchmesser ist. Ringporige Hölzer übertreffen demnach zerstreutporige Arten, die aber wiederum mehr Wasser umverteilen als Koniferen (Hypothese 1). Im zweiten Klimakammer-Experiment soll geklärt werden, in welchem Umfang heimische Baumarten durch HR umverteiltes Wasser aufnehmen können. Die zugrunde liegenden Hypothesen lauten: Hypothese 2a: Heimische Baumarten können von benachbarten Bäumen durch HR umverteiltes Wasser aufnehmen und nutzen. Hypothese 2b: Die Menge des transportierten Wassers ist abhängig vom Wasserpotenzialgradienten und der Wurzelbiomasse.
Der mögliche Facilitationseffekt in einem Fichten-Buchen-Mischbestand soll zum anderen in zwei Freiland-Experimenten im Rahmen eines bereits bestehenden, groß angelegten Trockenstressexperiments im Forst untersucht werden, um die Effektivität der HR in Deutschland einzuschätzen. Es wird von einem jahreszeitlichen Wechsel des Wassertransportes ausgegangen. Experiment 3 ist für das Frühjahr geplant, in dem es unter der bereits transpirierenden Fichte trockener ist als unter der noch nicht ausgetriebenen Buche. Entsprechend lautet Hypothese 3: Vor dem Austrieb im Frühjahr verteilt die (nicht-transpirierende) Buche Wasser aus tieferen Bodenhorizonten entlang des Wasserpotenzialgradienten in Richtung der Fichte um. Aufgrund ihrer anisohydrischen Strategie nutzt die Buche im Jahresverlauf in Trockenjahren dann allerdings mehr Wasser als die Fichte (isohydrische Strategie) und die Trockenheitsverhältnisse kehren sich um. Es wird daher angenommen, dass unter trockenen Bedingungen im Sommer die isohydrische Art Fichte eingespartes Wasser in Richtung der anisohydrischen Art Buche lateral umverteilt (Hypothese 4a) und die Buche dieses Wasser nutzen und dadurch länger transpirieren kann als im Reinbestand (Hypothese 4b).
Zur Untersuchung wird auf Methoden der Ökophysiologie zurückgegriffen, die Wasserpotenziale, Xylemfluss und Transpiration quantifizieren. Leitfähigkeitsmessungen finden in Kooperation mit Techniken der Ingenieurswissenschaften statt. Zudem wird Deuterium-markiertes Wasser genutzt, um Wasserflüsse im Boden nachzuweisen. Der Split-Root-Ansatz wird verwendet, um Wurzeln in trockenen und feuchten Böden unter streng kontrollierten Bedingungen zu vergleichen.

 

Förderzeitraum:
01.07.2015 - 30.06.2018

Institut:
Technische Universität München Wissenschaftszentrum Weihenstephan für Ernährung, Landnutzung und Umwelt

Betreuer:
Prof. Dr. Thorsten Grams

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Publikationen: