Advancing tree water deficit as a physiological indicator of drought stress
Year: 2026
Type: book
Abstract: Wälder sind große terrestrische Kohlenstoffsenken und schwächen dadurch die Auswirkungen des anthropogenen Klimawandels ab. Im Zuge des fortschreitenden Klimawandels sind sie jedoch zunehmend Dürreereignissen ausgesetzt, die die Vitalität von Bäumen und die Stabilität von Ökosystemleistungen bedrohen. Um diese Auswirkungen bewerten zu können, werden Indikatoren benötigt, die kontinuierlich Trockenstress bei Bäumen erfassen und mit Analysen auf Ökosystemebene sowie mit prozessbasierten Modellen verknüpft werden können. Hochauflösende Dendrometer können in diesem Zusammenhang besonders wertvoll sein, da sie kontinuierliche und vergleichsweise einfache Messungen von Veränderungen des Stammradius ermöglichen. Aus diesen Messungen kann das Baum-Wasser-Defizit (tree water deficit; TWD) als Abweichung des aktuellen Stammradius vom zuvor erreichten Maximum berechnet werden. Es spiegelt eine Schrumpfung wider, die durch den Verlust von Wasser aus elastischen Stammgeweben hervorgerufen wird. Konzeptionell erfasst TWD damit die Entleerung und Wiederauffüllung interner Baumwasserspeicher, wenn Transpiration und Wasseraufnahme aus dem Boden nicht im Gleichgewicht sind. Die physiologische Bedeutung und funktionelle Aussagekraft von TWD sind jedoch noch unzureichend geklärt, ebenso wie die Darstellung von TWD in prozessbasierten Modellen. Ziel dieser Dissertation ist es, TWD als physiologisch interpretierbares und modellkompatibles Signal für Trockenstress weiterzuentwickeln. Dazu werden drei Forschungsfragen behandelt, die jeweils in einer eigenen Studie untersucht werden: (1) Spiegelt dendrometerbasiertes TWD zentrale physiologische Trockenstresseindikatoren bei Bäumen während starker Austrocknung und anschließender Erholung wider? (2) Kann normalisiertes TWD als gemeinsame hydraulische Stressachse zur Interpretation funktioneller Trockenheitsreaktionen dienen? (3) Kann TWD auf vereinfachte Weise in Modelle integriert und mit Simulationen auf Ökosystemebene verbunden werden? In der ersten Studie wird die physiologische Grundlage von TWD in einem kontrollierten Dürreexperiment mit Setzlingen von Pinus sylvestris (Waldkiefer) und Larix decidua (Europäische Lärche) untersucht. Neben Dendrometermessungen wurden Messungen des mittäglichen Wasserpotenzials ($\psi$) sowie der stomatären Leitfähigkeit ($g_s$) durchgeführt. Die Studie zeigt enge Zusammenhänge zwischen TWD, $\psi$ und $g_s$ während der Austrocknung und leitet TWD-Schwellenwerte für den Beginn von Trockenstress und potenzieller Gewebeschädigung ab. Bäume, die nach starker Dürre erneut bewässert wurden, zeigten eine unvollständige Erholung des TWD, was auf hydraulische oder zelluläre Schäden hinweisen und Aufschluss über das Erholungspotenzial geben kann. Diese unvollständige Erholung führte jedoch auch zu einer vorübergehenden Entkopplung der Beziehungen zwischen TWD, $\psi$ und $g_s$. Zudem identifiziert die Studie eine geeignete Normalisierung von TWD als zentrale Herausforderung für übertragbare, praxisnahe Monitoringansätze, während über Nacht verbleibendes TWD als direkt anwendbares Trockenstresssignal herausgearbeitet wird. In der zweiten Studie wird geprüft, ob das normalisierte tägliche Minimum von TWD (TWD$_{\min,\mathrm{norm}}$) als gemeinsame funktionelle Trockenstressachse dienen kann. Dafür wurden drei kontrollierte Dürreexperimente an Setzlingen von Pinus sylvestris, Picea abies (Gemeine Fichte) und Pseudotsuga menziesii (Douglasie) zusammengeführt, in denen Dendrometermessungen mit kontinuierlich erfasstem Gaswechsel von Trieben und Wurzeln der Bäume kombiniert wurden. Trotz der Unterschiede zwischen den drei Nadelbaumarten und den experimentellen Aufbauten nahm die tägliche Netto-Kohlenstoffbilanz auf Baumebene mit zunehmendem TWD$_{\min,\mathrm{norm}}$ konsistent ab und wechselte bei ungefähr TWD$_{\min,\mathrm{norm}}$ = 0.20 [0.13-0.31] von einer Netto-Kohlenstoffaufnahme zu einem Netto-Kohlenstoffverlust. Artspezifische Schwellenwerte lagen innerhalb eines vergleichsweise engen TWD$_{\min,\mathrm{norm}}$-Bereichs, was darauf hindeutet, dass normalisiertes TWD vergleichbare Trockenstressniveaus identifizieren kann. $g_s$- und Transpirationsdynamiken wurden durch TWD$_{\min,\mathrm{norm}}$ jedoch weniger konsistent beschrieben, vermutlich weil sie auch stark auf atmosphärischen Wasserbedarf und kurzfristige Wasserverfügbarkeit reagieren, die sich zwischen den Experimenten unterschieden. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass dendrometerbasiertes TWD bei geeigneter Normalisierung als übertragbare Trockenstressmetrik dienen kann, insbesondere für die Kohlenstoffbilanz auf Baumebene. In der dritten Studie wird TWD in eine modellkompatible Darstellung interner Baumwasserdynamiken überführt. Dazu wird der neu entwickelte Tree Water Imbalance and Storage Tracker (TWIST) eingeführt, ein bewusst einfaches, diagnostisches Modul, das volumenbasiertes TWD aus Transpiration und Bodenwasserverfügbarkeit simuliert. TWIST leitet außerdem den relativen Wassergehalt von Bäumen (RWC$_{\text{tree}}$) aus TWD und einer Schätzung des internen Wasserspeichers ab, wodurch ein interpretierbarer Indikator für interne Dehydrierung entsteht. Gekoppelt an das prozessbasierte Ökosystemmodell LandscapeDNDC wurde TWIST anhand von dendrometerbasiertem TWD an einem tschechischen Rotbuchenwaldstandort (Fagus sylvatica) evaluiert. Dabei konnte es die beobachteten TWD-Dynamiken weitgehend reproduzieren, darunter tägliche Entleerungs- und Wiederauffüllungszyklen, eine verringerte nächtliche Rehydrierung bei abnehmender Bodenfeuchte sowie die fortschreitende Akkumulation von TWD während saisonaler Dürreperioden. Durch die Ausgabe von TWD und RWC$_{\text{tree}}$ als diagnostische Modellgrößen verknüpft TWIST dendrometerbasierte Trockenheitsinformationen mit Waldsimulationen auf Bestandsebene. Zusammengenommen zeigt diese Dissertation, dass TWD physiologisch relevante Informationen auf mehreren komplementären Ebenen enthält. Erstens bietet TWD als integratives Signal des Ungleichgewichts zwischen Wasseraufnahme und Wasserverlust einen vereinfachten und modellkompatiblen Rahmen zur Quantifizierung des hydraulischen Zustands eines Baumes. Zweitens können zeitliche TWD-Muster helfen, verschiedene Phasen von Trockenstress zu unterscheiden: geringer Stress, wenn das tägliche TWD über Nacht vollständig wieder aufgefüllt wird; funktionelle Einschränkungen von Wachstum, Gaswechsel und Kohlenstoffassimilation, wenn TWD über Nacht nicht mehr vollständig ausgeglichen wird; sowie potenziell schädigender Stress, wenn TWD insgesamt akkumuliert, während die täglichen TWD-Zyklen abnehmen. Drittens kann normalisiertes TWD eine übertragbare Trockenstressachse bieten, um Stressniveaus über verschiedene Kontexte hinweg zu vergleichen und TWD-Schwellenwerte zur Bewertung der Dürreauswirkungen auf Bäume einzusetzen. Offen bleiben insbesondere Fragen zur robusten Normalisierung von TWD außerhalb experimenteller Bedingungen, zur Übertragbarkeit experimenteller Zusammenhänge und zur Weiterentwicklung von simuliertem TWD über die derzeitige diagnostische Rolle hinaus. Gleichzeitig zeigt diese Dissertation Wege auf, wie zunehmend verfügbare Dendrometermessungen das Monitoring einzelner Bäume verbessern können. TWIST ermöglicht zudem einen direkteren Vergleich zwischen Simulationen und dendrometerbasierten Beobachtungen und kann dabei helfen, Dynamiken von Trockenstress in Modellen besser abzubilden. Damit bietet TWD einen Ansatzpunkt, um baumbezogene Messungen mit Modellsimulationen und Analysen auf Ökosystemebene zu verbinden und die Auswirkungen des im Klimawandel zunehmenden Trockenstresses auf Wälder besser zu erfassen und modellbasiert abzuschätzen.
Source: KITopen
Author: Ziegler, Yanick
Language: English
Subfield: Global and Planetary Change
Field: Environmental Science
Domain: Physical Sciences
SDG: Life on land
Open Access status: green
OpenAlex ID: W7221717754