Water use of forests along elevation gradients in the Berchtesgaden National Park

Titelangaben

Kolcun, Olimpia:
Water use of forests along elevation gradients in the Berchtesgaden National Park.
Bayreuth , 2005
( Dissertation, 2005 , Universität Bayreuth, Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften)

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Abstract

Forests are major sources of water vapor to the atmosphere and have an important influence on both regional and global climate. Understanding of the water exchange between the vegetation and the atmosphere, and recognition of factors to predict the water fluxes is necessary to estimate the changes in water use according to possible climate change. In this study the processes affecting the transpiration of Norway spruce (Picea abies) in the Berchtesgaden National Park along an elevation gradient were investigated. Sapflow and meteorological measurements were carried out during the summer of 2002. For each stand, structural differences (tree height, circumference, diameter (DBH), tree density, basal area) were also analyzed. For the experiment, three Norway spruce stands – with similar inclination, exposition, LAI and soil conditions, but situated at different elevations a.s.l in the Berchtesgaden National Park were selected. The transpiration rates of spruce were compared with those of other species: Fagus sylvatica, Larix decidua and Pinus mugo. In each stand, six to fifteen trees were selected for sapflow measurements. Xylem sap flux was observed with constant-heating-method according to Granier. Sapflow rates of individual trees were scaled up to the stand level according to the cross-sectional sapwood area of the DBH class (for spruce and beech) or total cross-sectional sapwood area (for larch). Within the sparse Larix decidua stand, both the sapflow in trees and water loss from understory vegetation were measured. Strong correlations between transpiration rates and maximum VPD and daily integrated PPFD were found for the experimental species. For the Norway spruce stands, needle nutrient concentrations were also determined. During the 2002 growing season (May- September), the seasonal patterns of tree canopy transpiration were similar for the different experimental stands. The highest water use was observed in June and July for spruce and dwarf-pine, and in July and August for beech. The seasonal changes in canopy transpiration and conductance, and the variation between spruce stands, may be in part explained by differences in meteorological conditions. Canopy conductance was calculated from canopy transpiration (Ec) and vapor pressure deficit (VPD). Absolute rates of seasonal canopy transpiration within experimental Picea abies sites differed greatly from 78 to 165 mm. The highest transpiration rates occurred in the lowest situated stand and they decreased with increasing elevation. The seasonal water loss from the Fagus sylvatica site (78 mm) was similar to the water loss at the highest situated spruce site. The seasonal transpiration of Pinus mugo site reached 44 mm. Transpiration of Larix decidua was only measured successfully during June and during a few days in July. A strong decrease of canopy conductance (gt) with increasing VPD was observed for all stands. The highest maximum canopy conductance for spruce, 20 mm s-1, was calculated for the 630 m site, while for the 1040 m and the 1360 m sites the maximum gtmax reached 15 mm s-1. In comparison the maximum canopy conductance for the beech site was higher than for the spruce site at the same elevation a.s.l. (630 m) and reached 30 mm s-1. The lowest maximum gt, 10 m s-1, was estimated for dwarf-pine shrub. For the examination of controls on spruce forest water use that were found along the elevation gradient, the GAS-FLUX model was used. Model simulations support two alternative hypotheses, namely that stomatal patchiness as well as carboxylation capacity (Vcmax) may have had an influence on stand water use. The modelled transpiration with changes in Vcmax was similar to estimated transpiration rates obtained by changing the “portion of leaves that are active” (stomatal patchiness). The developed model can be used for estimation of water use for other similar mountainous locations or for examination of ecosystem sensitivities to environmental changes (nitrogen supply, air temperature). The current work should stimulate further research on the detailed study of e.g. stomatal patchiness and its influence on transpiration rates, or to test the results at other sites.

Abstract in weiterer Sprache

Wälder, die eine wichtige Quelle des Wasserdampfes in der Atmosphäre sind, haben einen grossen Einfluß sowohl auf das regionale als auch das globale Klima. Die Kenntnis des Wasseraustausches zwischen der Vegetation und der Atmosphäre und Erkennung der Faktoren um die Veränderungen in der Wasseraufnahme mit der eventuellen Klimaänderung abzuschätzen, ist notwendig. In dieser Arbeit wurden die Prozesse untersucht, die die Transpiration der Fichtenwälder (Picea abies) beeinflussen. Saftfluß- und meteorologische Messungen wurden während des Sommers 2002 durchgeführt. Für jeden Bestand wurden auch die strukturellen Unterschiede (Baumhöhe, Umfang, Durchmesser (DBH), Baumdichte, Bestandesgrundfläche) analysiert. Zur Untersuchung wurden drei Fichtenbestände – mit ähnlicher Hangneigung, Exposition, LAI und Bodenbedingungen – ausgewählt, die sich auf verschiedener Höhe über den Meeresspiegel im Nationalpark Berchtesgaden befinden. Die Transpirationsraten der Fichte wurden verglichen mit den Raten anderer Baumarten: Fagus sylvatica, Larix decidua und Pinus mugo. In jedem Bestand wurden sechs bis fünfzehn Bäume für Saftflußmessungen ausgewählt. Xylemsaftfluß wurde gemessen anhand der Konstant-Temperaturdifferenz-Methode nach Granier. Saftflußraten der einzelnen Bäume wurden hochskaliert für die Bestandesebene anhand der Splintholzfläche der einzelnen DBH-Klassen (für Fichte und Buche) oder der Splintholzfläche des ganzen Bestandes (für Lärche). In dem Lärchenbestand wurden sowohl der Saftfluß in den Bäumen als auch der Wasserverlust von der Vegetation des Unterwuchses gemessen. Die Kronendachleitfähigkeit wurde aus der Kronendachtranspiration (Ec) und dem Wasserdampfsättigungsdefizit (VPD) berechnet. In den Fichtenbeständen wurden die Nährstoffkonzentrationen der Nadeln bestimmt. Während der Vegetationsperiode 2002 (Mai – September), waren die saisonalen Verläufe der Kronendachtranspiration in verschiedenen Beständen sehr ähnlich. Der höchste Wasserverbrauch wurde beobachtet für die Fichte und Bergkiefer im Juni und Juli und für die Buche im Juli und August. Die saisonalen Änderungen in Kronendachtranspiration und Leitfähigkeit und zwischen den Beständen können teilweise erklärt durch die Unterschiede in den meteorologischen Bedingungen werden. Eine starke Korrelation wurde zwischen den Transpirationsraten und dem maximalem VPD und dem über den Tag integrierten PPFD festgestellt. Die absolute Raten der saisonalen Kronendachtranspiration in den Picea abies Beständen unterschieden sich stark und betrugen 78 bis 165 mm. Die höchsten Transpirationsraten wurden gemessen in dem am tiefsten gelegenen Bestand. Transpirationsraten wurden niedriger mit steigender Höhe über dem Meeresspiegel. Der saisonale Wasserverlust des Fagus sylvatica Bestandes (78 mm) war vergleichbar zu der Summe des am höchsten gelegenen Fichtenbestandes. Die saisonale Transpiration des Pinus mugo Bestandes betrug 44 mm. Die Transpiration des Larix decidua Bestandes wurde nur im Juni und ein paar Tagen im Juli erfolgreich gemessen. Eine starke Abnahme der Leitfähigkeit (gt) mit dem ansteigenden VPD wurde beobachtet. Die höchste maximale Kronendachleifähigkeit 20 mm s-1 in den Fichtenbeständen wurde für den 630 m Bestand berechnet, während für die 1040 und 1360 m Bestände gtmax 15 mm s-1 betrug. Im Vergleich war die maximale Kronendachleitfähigkeit des Buchenbestandes höher als für den auf derselben Höhe (630 m) gelegenen Fichtenbestand und betrug 30 mm s-1. Die niedrigste gtmax (10 m s-1) wurde für den Bergkieferbestand bestimmt. Für die Überprüfung der Kontrollfaktoren der Wassernutzung, die entlang des Höhengradientes festgestellt wurde, wurde das GAS-FLUX Model angewendet. Modellsimulationen bestätigen zwei alternativen Hypothesen, dass sowohl Unterschiede in stomatärer „patchiness“ als auch der Karboxylierungskapazität (Vcmax) die Wassernutzung des Bestandes beeinflusst haben könnten. Das entwickelte Model kann benutzt werden für die Abschätzung der Wasserabgabe in anderen ähnlichen Gebirgsstandorten oder für die Untersuchung der Ökosystemsensitivität auf die Änderungen der Umweltfaktoren (Stickstoffverfügbarkeit, Lufttemperatur). Diese Arbeit sollte weitere Forschung zu detaillierten Untersuchungen stimulieren, wie z.B. zu „stomatal patchiness“ und deren Einfluss auf die Transpirationsraten, oder zur Überprüfung der Resultate auf anderen Versuchsflächen.