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Bibliographic Metadata

Title
Waldbrand: Hitzeeffekte auf Knospen und Xylem von Fichte, Föhre und Buche
AuthorBär, Andreas
CensorMayr, Stefan
Thesis advisorMayr, Stefan
PublishedInnsbruck, Dezember 2016
Description100 Blätter : Illustrationen, Diagramme
Institutional NoteUniversität Innsbruck, Masterarbeit, 2016
Date of SubmissionDecember 2016
LanguageGerman
Document typeMaster Thesis
Keywords (DE)Waldbrand / Hydraulische Sicherheit / Hydraulische Effizienz / Hitzeeffekte / Knospen / Xylem
Keywords (EN)Forest fires / Heat-effects / Hydraulic safety / Hydraulic efficiency / Buds / Xylem / Forest fires - Heat-effects - Hydraulic safety - Hydraulic efficiency - Buds - Xylem
URNurn:nbn:at:at-ubi:1-5459 Persistent Identifier (URN)
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Waldbrand: Hitzeeffekte auf Knospen und Xylem von Fichte, Föhre und Buche [23.32 mb]
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Abstract (German)

Im Alpenraum stellen frühjährliche Trockenperioden nach schneearmen Wintern ein besonderes Risiko für das Auftreten von Waldbränden dar, das Überleben von Bäumen hängt damit maßgeblich von der Hitzeresistenz der Knospen ab.Während einesWaldbrandes kommt es vor allem in Bereichen niederer Feuerintensitäten oft zu einer nur teilweisen Schädigung von Bäumen. Die überlebenden Bäume weisen jedoch häufig erhöhte Sterblichkeitsraten in den Folgejahren des Brandes auf („Post-Fire Mortality“). Es wird vermutet, dass dabei neben Kambiumnekrosen auch eine hitzeinduzierte Beeinträchtigung des hydraulischen Systems eine wichtige Rolle spielt. In der vorliegenden Arbeit sollte die Hitzeresistenz von Knospen und deren thermischen Isolationseigenschaften untersucht sowie die Auswirkungen von Hitze auf die hydraulische Sicherheit und Effizienz von heimischen Baumarten analysiert werden.

Die Untersuchungen wurden an Zweigen von Fichte (Picea abies L. Karst), Föhre (Pinus sylvestris L.) und Buche (Fagus sylvatica L.) durchgeführt. In Laborexperimenten wurden die Hitzeresistenz von Knospen mittels Electrolyte-Leakage-Methode sowie deren Isolationseigenschaften analysiert. Ebenfalls im Labor wurden die Auswirkungen von Hitze auf die Verwundbarkeit gegenüber trockenheitsinduzierten Embolien (P50; Wasserpotential bei 50% Leitfähigkeitsverlust) und auf die hydraulische Leitfähigkeit (ks) quantifiziert. Dazu wurden Astproben bei 90C hitzebehandelt und mit Hilfe der Cavitron-Methode analysiert sowie Querschnitte der Proben im Mikroskop auf Deformationen des Xylems untersucht. Weiters wurden hydraulische Analysen an Astproben durchgeführt, die durch einen natürlichen Waldbrand geschädigt worden waren. Neben Verwundbarkeitsanalysen (Cavitron-Methode) wurden mit der XYLEM-Apparatur der Emboliegrad und ks bestimmt. Mittels elektrischer Widerstandstomographie wurden zusätzlich die Stämme geschädigter Bäume auf der Brandfläche untersucht.

Die Knospen von F. sylvatica waren in allen untersuchten phänologischen Phasen am widerstandsfähigsten, jene von P.abies hingegen am verwundbarsten gegenüber Hitze. Geschlossene Knospen zeigten eine 50%ige Zellschädigung bei F. sylvatica ab einer Temperatur von 58,45 10,64C, bei P. abies ab 51,72 1,31C und bei P. sylvestris ab 56,62 1,44C. Die aufbrechenden Knospen aller Arten zeigten die geringste Resistenz gegenüber Hitze, der geschlossene Zustand bot hingegen den größten Schutz. Die experimentelle Hitzeexposition führte bei allen drei Arten zu einer erhöhten Verwundbarkeit gegenüber trockenheitsinduzierten Embolien. P. abies zeigte die geringste Beeinträchtigung mit einer Veränderung des P50 von -3,95 0,05 auf -3,66 0,09 MPa. Die Hitze hatte jedoch beträchtliche Auswirkungen auf die hydraulische Sicherheit von P. sylvestris (P50 -3,59 0,09 auf -2,33 0,14 MPa) und F. sylvatica (P50 -2,80 0,08 auf -2,17 0,08 MPa). Zu einer Reduktion der hydraulischen Leitfähigkeit kam es nur bei hitzeexponierten Ästen von F. sylvatica (ks 25,31 1,01 auf 12,91 1,83 cm2s1MPa1). Anhand der mikroskopischen Aufnahmen konnten an allen drei Arten hitzebedingte Deformationen des Xylems demonstriert werden. Bei teilgeschädigten Ästen von P. sylvestris und F. sylvatica wurden auch am natürlichen Standort erhöhte Verwundbarkeiten gegenüber trockenheitsinduzierten Embolien aufgrund des Waldbrandes nachgewiesen. Äste von P. abies, die den Brand überlebten, zeigten hingegen keine erhöhte Verwundbarkeit. Analog zu den Laborversuchen konnten auf der Brandfläche Leitfähigkeitsverluste nur an geschädigten Ästen von F. sylvatica beobachtet werden. Die Tomogramme ergaben deutlich veränderte Widerstandsverteilungen in angebrannten Fichtenstämmen, äußerlich beeinträchtigte Fichten- und Buchenstämme zeigten hingegen keine Auffälligkeiten.

Die Resultate belegen, dass die phänologische Phase der Knospen entscheidend für das Überleben von Bäumen bei einem Brand sein kann. Speziell für P. abies, deren Knospen am verwundbarsten sind, spielt der Brandzeitpunkt somit eine essentielle Rolle. Es konnte auch gezeigt werden, dass überlebende Bäume artspezifische Beeinträchtigungen des hydraulischen Systems nach einem Waldbrand aufweisen können. Die reduzierte hydraulische Sicherheit und Effizienz ist dabei vermutlich auf hitzebedingte Deformationen des Xylems zurückzuführen. Ein geschwächtes hydraulisches System kann während künftigen Trockenperioden die Vitalität betroffener Bäume beeinträchtigen und so zu erhöhten Sterberaten in den Folgejahren von Waldbränden führen. Im Alpenraum werden aufgrund des globalen Klimawandels vermehrt Trockenperioden auftreten und damit die Häufigkeit von Waldbränden zunehmen, weshalb ein besseres Verständnis von Hitzeresistenz und Brandschäden bei Forstbäumen von großer Bedeutung ist.

Abstract (English)

Within alpine regions dry periods in spring after snow-poor winters favour the occurrence of forest fires. Therefore, the heat resistance of buds plays an important role for the survival of trees. During a forest fire, trees can be killed immediately, whereas, at lower fire intensities, trees may survive. Surviving trees often show an increased mortality rate in the following years. It is generally assumed that heat-caused cambium necrosis in the bole acts as the major post-fire mortality mechanism, but also more indirect processes, like an altered hydraulic system, can play an important role. The aim of the present study was to analyse the heat resistance of buds and to assess their thermal insulation capacity as well as the effects of heat on the hydraulic safety and efficiency.

Analyses were conducted on branches of Norway Spruce (Picea abies L. Karst), Scots Pine (Pinus sylvestris L.) and European Beech (Fagus sylvatica L.). The heat resistance of buds was analysed via the electrolyte-leakage method in the laboratory. Via the Cavitron technique, heat effects on the vulnerability to drought-induced cavitation (P50; water potential at 50% loss of conductivity) and on the hydraulic conductivity (ks) were quantified. Therefore, branch samples were experimentally exposed to a temperature of 90C. Cross-sections were made to obtain insights into structural damages of the xylem. Additionally, we analysed heat exposed samples from a natural forest fire site. Besides vulnerability (Cavitron method), the relative loss of conductivity and ks were measurd with the XYLEM-apparatus. Resistivity tomography was used to examine trunks of damaged trees at the fire site.

Buds of F. sylvatica were the most heat-resistant ones in all phenological stages, whereas buds of P. abies were most vulnerable. A 50% cellular damage occured in closed buds of F. sylvatica at a temperature of 58.45 10.64C, of P. abies at 51.72 1.31C and of P. sylvestris at 56.62 1.44C. Buds of all species showed an increased vulnerability to heat with the progress of the phenological stage. Experimental heating caused an increased vulnerability to cavitation in all three species. P. abies showed a relatively small change of P50 from -3.95 0.05 to -3.66 0.09 MPa. Heating reduced the hydraulic safety considerably in P. sylvestris (P50 -3.59 0.09 to -2.33 0.14 MPa) and F. sylvatica (P50 -2.80 0.08 to -2.17 0.08 MPa). A decrease in hydraulic conductivity was only found in heat-treated samples of F. sylvatica (ks 25.31 1.01 to 12.91 1.83 cm2s1MPa1). Cross-sections showed heat induced deformations of the xylem in all three species. According to laboratory experiments, naturally heat exposed samples (collected at the forest fire site) showed increased vulnerability to drought-induced embolism in P. sylvestris and F. sylvatica. Samples of P. abies, which survived the fire, did not exhibit an increased vulnerability to cavitation. Again, a reduced hydraulic conductivity was only found for F. sylvatica. Resistivity tomograms showed a clear effect of fire on the xylem of stems of P. abies, while externally damaged stems of P. sylvestris and F. sylvatica exhibited no impairments of the xylem.

Results indicate that the phenological bud-stage can be essential for the survival of trees. This holds true, especially for P. abies, which seems to be the most vulnerable species and for which the time of a forest fire, thus is to be considered critical. Surviving trees can show species-specific impairments of the hydraulic system after a forest fire. Heat causes structural deformations of the xylem and, in consequence, alters hydraulic vulnerability and efficiency. A weakened hydraulic system can impair tree vitality during future drought periods and thus cause increased mortality rates in the years after forest fires. Due to global warming, dry periods will occur with increasing frequency also in alpine regions and cause enhanced risks of forest fires. A better understandig of heat resistance and fire damages of trees thus is of great importance.

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