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Leaf hydraulic traits and eco-physiological drought responses of trees in a hyper-diverse tropical rainforest in French Guiana

Johanna Auer

Art der Arbeit

Masterarbeit

Universität

Universität Wien

Fakultät

Zentrum für Mikrobiologie und Umweltsystemwissenschaft

Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)

Masterstudium Ecology and Ecosystems

Betreuer*in

Wolfgang Wanek

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DOI

10.25365/thesis.70992

URN

urn:nbn:at:at-ubw:1-13909.02556.572247-2

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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)

Abstracts

Abstract

(Deutsch)

Ökosysteme auf der ganzen Welt werden zunehmend von den Folgen des Klimawandels bedroht, darunter auch die Regenwälder der Amazonasregion. Eine Folge des anthropogenen Treibhauseffekts die Veränderung des globalen Wasserkreislaufs mit einer zunehmenden Häufigkeit und Intensität von Dürreperioden. Da die Wasserverfügbarkeit eine wesentliche Triebkraft für Baumwachstum in den Tropen ist, wird erwartet, dass die prognostizierten Niederschlagsveränderungen das Baumwachstums erheblich beeinträchtigen und so zu einem weitreichenden Waldsterben im gesamten Biom des Amazonas führen. Funktionelle Traits, die an der Regulierung des pflanzlichen Wassertransportes beteiligt sind, spielen bekanntermaßen eine entscheidende Rolle bei ökologischen Stressreaktionen auf Wasserknappheit und können daher ein nützliches Instrument zur Erforschung der Trockenheitsresistenz von Waldgemeinschaften darstellen. Diese Traits werde allgemein als Wasserverhältnis-Traits bezeichnet, falls sie spezifisch beim Wassertransport involviert sind, werden sie hydraulische Traits genannt. Zu den viel diskutierten Wasserverhältnis-Traits von Blättern gehören unter anderem die minimale Blattleitfähigkeit (gmin), das Wasserpotenzial der Blätter bei voller Hydratation (πo), der relative Wassergehalt (RWC) und der gesättigte Wassergehalt von Blättern (LSWC). Die Forschung konzentriert sich nun zunehmend darauf, Zusammenhänge zwischen der Hydraulik und konventionell gemessenen funktionellen Merkmalen des Holzes und von Blättern zu finden. Es wird davon ausgegangen, dass die Blatt- beziehungsweise Stammmerkmale auf einer Achse konstanter Korrelationen variieren, welche als Blattökonomiespektum („leaf economic spectrum“, LES) beziehungsweise als Stammökonomiespektrum („stem economic spectrum“, SES) bezeichnet werden. In der vorliegenden Studie habe ich daher die hydraulischen Eigenschaften der Blätter und andere funktionelle Merkmale von 103 häufig vorkommenden Baumarten in einem, im atlantischen Tiefland gelegenen, Regenwald in Französisch-Guayana gemessen. Die Koordination der blatthydraulischen Eigenschaften untereinander und mit den Merkmalen, welche das LES und SES repräsentieren, wurde mittels PCA und Regressionsanalysen untersucht. Darüber hinaus habe ich mithilfe von linearen Modellen getestet, ob die Blatthydraulik eine signifikante Erklärungskraft für die Vorhersage von Wachstum des Baumdurchmessers oder die Sterblichkeitsrate hat. Das phylogenetische Signal wurde mit Pagels λ als quantitativem Maß der Ähnlichkeit eng verwandter Arten bewertet. Die Ergebnisse dieser Untersuchung verdeutlichen den engen strukturellen, aber auch funktionellen Zusammenhang zwischen LSWC und πo, der die inhärente Abhängigkeit des Wassergehalts von Blättern von einer hohen Konzentration gelöster Stoffe (ergo ein niedriges π0) zeigt. Eine hohe LSWC impliziert also ein hohes π0 und dies sind beides trockenheits-ausweichende Strategien, die von schnellwachsenden Bäumen angewandt werden. Darüber hinaus fanden wir einen starken negativen Zusammenhang zwischen RWC und gmin. Das könnte von dieser simplen mechanistischen Verknüpfung herrühren: wenn bei Trockenheit weniger Wasser verdunstet, führt das auch im Allgemeinen zu einem höheren Wassergehalt im Blatt. Die Hypothese, dass die Blatthydraulik weitgehend von den nicht-physiologischen funktionellen Merkmalen von Stamm und Blatt entkoppelt ist, konnte nicht bestätigt werden. Erwartungsgemäß ist WSG stark mit LSWC gekoppelt, was erneut auf funktionelle Konvergenz von konservativen Strategien zurückzuführen ist. Auch die Blattdicke (Lthick) stand in positiver Beziehung zu RWC, LSWC und gmin, denn diese wirkt sich eindeutig auf die Fähigkeit eines Blattes aus, Wasser zu speichern. Wie vermutet, standen die hydraulischen Eigenschaften der Blätter in keinem signifikanten Zusammenhang mit der Wachstumsrate des Stammdurchmessers oder der mittleren jährlichen Mortalitätsrate. Die wesentlichste Erkenntnis dieser Arbeit war, dass die Sauerstoff-Isotopenzusammensetzung des Blattes (δ18O) sowohl für das Baumwachstum als auch für die Mortalität den wichtigsten und einzig signifikanten Prädiktor darstellt. Dies ist wahrscheinlich darauf zurückzuführen, dass δ18O ein Indikator für die stomatäre Leitfähigkeit ist, die die Transpiration der Blätter und die Nährstoffaufnahme der Pflanzen steuert und somit indirekt die Pflanzenproduktivität beeinflusst. Dass hydraulische Effizienz im Widerspruch mit hydraulischer Sicherheit, bzw. Embolieresistenz steht, könnte die Beziehung zwischen δ18O und der Mortalitätsrate erklären. Schließlich wiesen die Blatthydraulik sowie die meisten Merkmale der Nährstoffversorgung ein mäßiges bis hohes Maß an phylogenetischem Konservatismus auf. Dies deutet darauf hin, dass sich die Anpassungen an die Wasser- und Nährstoffverfügbarkeit vergleichsweise langsam entwickeln und dass diese Merkmale einer stabilisierenden Selektion unterworfen sind.

Abstract

(Englisch)

Climate change is increasingly threatening ecosystems globally, including tropical forests in the Amazonian region. One consequence of the anthropogenic greenhouse effect is the change in the global water cycle, with a growing frequency and intensity of droughts in the tropics. As water availability is a major driver of tree growth in the tropics, the foreseen changes in precipitation are anticipated to provoke substantial declines in tree growth and extensive forest diebacks throughout tropical forests. Functional characteristics that are involved in the regulation of the plant water budget, specifically water transport, are referred to as hydraulic traits, or more general water relations traits. They are known to play a crucial role in plant stress responses to water scarcity and can thus offer a useful tool to explore the drought resilience of tree species in tropical forest communities. These include leaf hydraulic traits such as minimum leaf conductance (gmin), leaf water potential at full hydration (πo), relative water content (RWC), and leaf saturated water content (LSWC). Recent research has focused on associations between plant hydraulic traits and commonly measured leaf or stem functional traits in trees. Leaf and wood traits, respectively, are assumed to vary on the axes of traits syndromes, referred to as the leaf economics spectrum (LES) and the stem economics spectrum (SES). Those functional traits can be ranged in a fast-slow continuum, being substantiated by the trade-off between short-term gains and longevity. In the present study, we therefore measured leaf hydraulic traits and other functional traits in 103 abundant tree species in an old-growth rainforest in French Guiana. The coordination of leaf water relations characteristics with traits representing the LES and SES was investigated by regression analyses and principal component analysis. Additionally, by fitting linear models we tested whether leaf hydraulics have significant explanatory power to predict tree diameter growth and drought-induced mortality. The phylogenetic signal was assessed with Pagel’s λ as the quantitative measure of resemblance in closely related species. The results of this investigation illustrate the tight structural and functional coupling between LSWC and πo, which shows the inherent dependence of saturated water content to the concentration of solutes (ergo a low π0). Accordingly, a high π0 implies a high LSWC, which both represent drought-avoiding strategies in fast-growing species. We further found a strong negative association of RWC and gmin, indicating that this might be driven a simple mechanistic link: if less water is lost after stomatal closure, the mean momentary water content will be generally higher. The hypothesis that leaf hydraulics are largely decoupled from stem and leaf functional traits could not be verified. As expected, WSG represented an exception to this, being coupled to LSWC, which is due to their functional integration in the fast-slow continuum. Also, laminar thickness (Lthick) was positively related to RWC, LSWC and gmin, clearly impacting the capacity of a leaf to hold and retain water. As suggested, leaf hydraulic characteristics were not significantly related to stem diameter growth rates or mean annual mortality rates. The major finding of this thesis was, that the leaf oxygen isotopic composition (δ18O) is the main predictor for both, tree species growth and mortality. This likely is due to δ18O being an indicator for stomatal conductance, which drives leaf transpiration, plant nutrient uptake, and therefore indirectly influences plant productivity. Hydraulic efficiency stands in conflict with embolism resistance which might explain the role of δ18O in mortality. Finally, leaf hydraulics, as well as most nutrient-sourcing traits, exhibited moderate to high levels of phylogenetic conservatism. This indicates that adaptations to water and nutrient availability evolve comparably slowly, and that these traits are subject to stabilizing selection.

Autor*innen

Johanna Auer

Haupttitel (Englisch)

Leaf hydraulic traits and eco-physiological drought responses of trees in a hyper-diverse tropical rainforest in French Guiana

Paralleltitel (Deutsch)

Hydraulische Blattmerkmale und öko-physiologische Trockenheitsreaktionen von Bäumen in einem artenreichen tropischen Regenwald in Französisch-Guayana

Publikationsjahr

2022

Umfangsangabe

62 Seiten : Illustrationen

Sprache

Englisch

Beurteiler*in

Wolfgang Wanek

Klassifikation

42 Biologie > 42.41 Pflanzenphysiologie

AC Nummer

AC16528339

Utheses ID

61975

Studienkennzahl

UA | 066 | 833 | |

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Schlagwörter