Lange, graue Skelette bedeckten die Landschaft vor mir, hohe, leblose Stämme, verblassende Schatten ihrer einstigen grünen Pracht – überall lagen tote Bäume. Abgestorbene Kiefern, Pinyon-Kiefern und Wacholderstöcke bedeckten die Berghänge. Ich war im Oktober 2016 im Norden von New Mexico, als ich zum ersten Mal mit eigenen Augen sah, wie ein großflächiges Baumsterben aussieht. Mir blieb der Mund offen stehen, als ich mir vorstellte, wie lange es gedauert hatte, bis diese charismatischen Riesenbäume zu den dominanten Gestalten der Landschaft geworden waren, die sie in ihrer Blütezeit gewesen sein mussten. Selbst im Tod beherrschten sie das Bild und überragten alles Lebende. Während dieser Reise besuchte ich verschiedene Orte und wurde Zeuge des Waldsterbens der letzten siebzig Jahre. Dürre, Insekten und Feuer hatten alle zu der fortschreitenden Dezimierung dieser Wälder beigetragen. Es hatte etwas Fesselndes, diese Leichen mit eigenen Augen zu sehen, denn Fotos können das Ausmaß des Ganzen nicht annähernd wiedergeben.
Dies ist eine aufregende Zeit, um die Mechanismen hinter der Baumsterblichkeit zu untersuchen. Über Faktoren, die zum Absterben von Bäumen beitragen, ist viel bekannt, aber eine der größten Unsicherheitsquellen in den meisten Vegetationsmodellen bleibt das Schicksal der terrestrischen Kohlenstoffsenke. Ohne zu wissen, unter welchen Bedingungen Bäume überleben oder absterben, bleiben Vorhersagen darüber, wie viel Kohlenstoff von Landpflanzen gebunden wird, ungewiss. Wälder dominieren diese terrestrische Kohlenstoffsenke – sie arbeiten fleißig daran, die ständig steigenden Konzentrationen an atmosphärischem Kohlendioxid einzufangen. Wenn Millionen von Bäumen in kurzer Zeit absterben, könnten diese Giganten von einer Kohlenstoffsenke zu einer Kohlenstoffquelle werden. Besseres Verstehen #WhatKillsBäume wird dazu beitragen, unsere Fähigkeit zu verfeinern, das Schicksal der globalen Wälder vorherzusagen.
Es wurden Untersuchungen durchgeführt, die die Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Faktoren, die zum Absterben von Bäumen führen, beleuchten: hydraulisches Versagen, Kohlenstoffmangel und biotische Angriffe. Meine Forschung konzentriert sich auf das hydraulische Versagen. Bäume benötigen eine kontinuierliche Wassersäule in ihrem Xylem, von der Aufnahme in den Wurzeln bis zur Evapotranspiration in den Blättern. Da dieses Wasser durch die Verdunstung an den Blättern entgegen der Schwerkraft transportiert wird, führt jede Unterbrechung der Wassersäule dazu, dass der Transportweg für die Pflanze funktionsunfähig wird. Wenn die Wasserverfügbarkeit im Boden abnimmt, der Feuchtigkeitsbedarf der Atmosphäre steigt oder beides gleichzeitig auftritt, kann die Wassersäule im Baum erheblichen Spannungen ausgesetzt sein. Kavitation entsteht bei Wasserstress, wenn die Spannungen im Xylem so negativ werden, dass die Wassersäule reißt und sich eine Embolie (Luftblase) bilden kann. Intensität und Dauer des Wasserstresses können zu einer weitverbreiteten Kavitation in den Stämmen von Bäumen führen. Ab einem gewissen Punkt kann dieser akkumulierte Verlust der Wassertransportfähigkeit der Pflanze tödlich werden. Meine Forschung zielt darauf ab, diesen Schwellenwert zu identifizieren.
Um die Auswirkungen von Wasserstress zu quantifizieren, können verschiedene Methoden eingesetzt werden. Ich bin vor Kurzem von einem Workshop zu Methoden der Pflanzenwasserhaushaltsforschung (finanziert von der NSF und der ESA-Sektion Ökophysiologie) in Idaho zurückgekehrt (viele Grüße an #Idahydraulics2017!), wo ich von Experten auf diesem Gebiet verschiedene Methoden zur Bewertung der Pflanzenreaktion auf Wasserstress kennenlernen konnte. Ich hatte mich für den Workshop angemeldet, um mein Wissen über Methoden der Pflanzenwasserhaushaltsforschung zu erweitern. Besonders hervorzuheben ist jedoch der Austausch mit so vielen anderen, die sich mit Leidenschaft mit denselben Forschungsfragen beschäftigen. Ein Jahr nach Beginn meiner Promotion hatte ich das Gefühl, endlich Gleichgesinnte gefunden zu haben.
Die Spannung im Xylem wird oft mit einer Druckbombenkammer gemessen. Durch Hinzufügen von Druck in Höhe der Xylemspannung beim Schneiden einer Probe aus der Pflanze tritt Wasser aus dem abgeschnittenen Ende einer Probe aus, wie im Tweet unten.
https://twitter.com/wmhammond/status/865556281565691905
Wenn Bäume zunehmendem Umweltstress ausgesetzt sind, werden größere Anteile von Xylem kavitiert, bis der Baum nicht mehr die minimale Menge an Wasser liefern kann, die zum Überleben erforderlich ist. Diese Beziehung zwischen Xylemspannung und Kavitation wurde mit Vulnerabilitätskurven charakterisiert, die den prozentualen Leitfähigkeitsverlust (PLC) entlang einer zunehmenden Xylemwasserspannung (einem negativeren Wasserpotential, siehe unten) darstellen.
Bei Bäumen, die naiv gegenüber Trockenheit sind, steigt der prozentuale Verlust an Leitfähigkeit, wenn das Wasserpotential abnimmt. Bei einigen SPS zeigen diese Kurven eine dramatische schwellenwertartige Reaktion: einen Punkt ohne Wiederkehr für Arten, die diesen Stresspunkt überschreiten. Die Beziehung zwischen Wasserpotential und PLC kann sich während einer anschließenden Dürre entkoppeln. Dies kann durch eine Technik nachgewiesen werden, die als aktive Xylem-Färbung bezeichnet wird. Indem man Farbstoff durch einen Abschnitt eines ausgetrockneten Stiels zieht, nehmen nur Gewebe, die noch Wasser leiten, Farbstoff auf. Dies ermöglicht die Visualisierung embolisierter Bahnen in einer Querschnittsansicht des Schafts. Dr. Anna Jacobsen bietet eine äußerst hilfreiche Anleitung zu dieser Methode Hier. Dieser Leitfaden wurde von Dr. Martin Venturas beigesteuert, von dem ich während meiner Zeit das Vergnügen hatte, die aktive Xylem-Färbung zu lernen #IdaHydraulik2017.
Zwei Pinus taeda-Jungpflanzen mit gleichem Wasserpotenzial (-0.50 MPa) wurden gefärbt und im Querschnitt untersucht. Der Stamm links war nahezu tödlichem Trockenstress ausgesetzt, wurde wieder bewässert und erholte sich. Der Stamm rechts war keinem Trockenstress ausgesetzt. Obwohl ihre Wasserpotenziale auf ein sehr niedriges PLC (Physical Cell Potential) hindeuten, weist der trockenheitserfahrene Stamm embolisiertes Xylem auf. Wenn eine trockenheitserfahrene Pflanze wieder Wasser erhält, passt sich das verbleibende funktionsfähige Xylem dem neuen, höheren Wasserpotenzial im Boden an. Embolisierte Leitungsbahnen in Bäumen spülen oder füllen sich nicht wieder auf, und diese nach der Bewässerung verbleibende Embolie ist ein funktionelles Erbe der Trockenheit (siehe Abbildungen oben). Die Vergrößerung der Leitfähigkeit erfordert das Wachstum neuer, wassergefüllter Xylembahnen. Wie man sich vorstellen kann, sind Bäume mit einem hohen PLC (selbst bei vorhandener Bodenfeuchtigkeit) anfälliger. Da der Klimawandel in vielen Teilen der Welt mit zunehmender Häufigkeit, Dauer und Intensität von Dürren einhergeht, ist das Verständnis der Mechanismen, durch die hydraulisches Versagen zum Baumsterben beiträgt, dringender denn je. Ob im Freiland, im Gewächshaus oder im Labor – ich denke oft an die Berge New Mexicos, bedeckt mit stahlgrauen Baumstümpfen. Mehr Baumsterben wird bevorstehen, und wir müssen dringend die zugrundeliegenden Mechanismen erforschen, um genauere Vorhersagen darüber treffen zu können, welche Gebiete am stärksten gefährdet sind.
