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Global change impacts on beech (Fagus sylvatica L.) forest ecosystems : the role and interaction of nitrogen and drought

Die Auswirkungen globaler Umweltveränderungen auf Buchenwald Ökosysteme : Einfluss und Interaktion von Stickstoff und Trockenstress

  • Climate change and atmospheric deposition of nitrogen affect biodiversity patterns and functions of forest ecosystems worldwide. Many studies have quantified tree growth responses to single global change drivers, but less is known about the interaction effects of these drivers at the plant and ecosystem level. In the present study, we conducted a full-factorial greenhouse experiment to analyse single and combined effects of nitrogen fertilization (N treatment) and drought (D treatment) on 16 morphological and chemical response variables (including tissue δ13C signatures) of one-year-old Fagus sylvatica seedlings originating from eight different seed families from the Cantabrian Mountains (NW Spain). Drought exerted the strongest effect on response variables, reflected by decreasing biomass production and increasing tissue δ13C signatures. However, D and N treatments interacted for some of the response variables, indicating that N fertilization has the potential to strengthen the negative effects of drought (with both antagonistic and amplifying interactions). For example, combined effects of N and D treatments caused a sevenfold increase of necrotic leaf biomass. We hypothesize that increasing drought sensitivity was mainly attributable to a significant reduction of the root biomass in combined N and D treatments, limiting the plants’ capability to satisfy their water demands. Significant seed family effects and interactions of seed family with N and D treatments across response variables suggest a high within-population genetic variability. In conclusion, our findings indicated a high drought sensitivity of Cantabrian beech populations, but also interaction effects of N and D on growth responses of beech seedlings.
  • Es ist allgemein bekannt und anerkannt, dass durch den Menschen verursachte globale Umweltveränderungen eine ernsthafte Bedrohung für das biologische System der Erde und ihre Artenvielfalt darstellen. Um die Auswirkungen des globalen Wandels auf Ökosystemfunktionen und -dienstleistungen zu verstehen sind weitreichende Forschungsanstrengungen notwendig. Unter den verschiedenen Auswirkungen, die menschliche Einflüsse auf Ökosysteme haben, sind der menschengemachte Klimawandel (veränderte Niederschlagsregime oder Temperaturerhöhungen) und anthropogene Stickstoffemissionen Haupttreiber des globalen Wandels (so genannte „Global Change Driver“) mit schwerwiegenden Folgen für die Ökosysteme und die Biodiversität der Erde. Es besteht kein Zweifel daran, dass diese globalen Treiber gleichzeitig agieren, aber unser Wissen und Verständnis über die komplexen Reaktionen der Ökosysteme auf gleichzeitig auftretende Treiber bleibt begrenzt. Wälder sind aufgrund der langen Lebensdauer der Bäume und der damit einhergehenden schwierigen Anpassungsprozesse besonders anfällig für globale Umweltveränderungen. Ein Ziel der aktuellen Waldschutzstrategien in Europa ist es daher, die Wälder bei ihrer Anpassung an zukünftige klimatische und atmosphärische Veränderungen zu unterstützen. Die Rotbuche (Fagus sylvatica L.) spielt als ökologisch und ökonomisch wertvolle einheimische Waldbaumart eine führende Rolle in diesen Strategien. Fagus sylvatica ist eine konkurrenzstarke, schattenresistente Baumart, die durch eine schattenadaptierte Blattdifferenzierung und hohe Kronenplastizität die photosynthetisch aktive Strahlung effizient nutzen kann. Das Verteilungsmuster des Herzwurzelsystems ist flexibel und zeigt eine überlegene asymmetrische Konkurrenz in Artenmischungen mit der Tendenz, nährstoffreiche (aber trockenexponierte) obere Bodenschichten zu durchwurzeln. In Bezug auf den Bodenwasserbedarf sind Buchen jedoch als dürreempfindlich bekannt. Angesichts des hohen naturschutzfachlichen und ökonomischen Wertes der Rotbuche besteht daher die dringende Notwendigkeit, ihre Anfälligkeit gegenüber den vorhergesagten und in Wechselwirkung stehenden klimatischen und atmosphärischen Umweltveränderungen zu untersuchen. Mit den in dieser Dissertation vorgelegten Studien habe ich die einzelnen und kombinierten Auswirkungen von Stickstoffdüngung und Trockenstress auf die morphologische und physiologische Reaktion von ein- und zweijährigen Buchensämlingen untersucht. Um die kombinierten Auswirkungen von Stickstoff und Trockenstress auf junge Buchen in einer natürlichen Umgebung zu testen, habe ich den Versuchsaufbau erweitert und einen 4-jährigen Freilandversuch in einem Privatwald im niedersächsischen Landkreis Lüneburg durchgeführt. In diesem Versuch wurden junge Buchen in Monokultur sowie in Kombination mit Traubeneiche (Quercus petraea (Matt.) Liebl.) und Douglasie (Pseudotsuga mensziesii (Mirb.) Franco.) gepflanzt und ebenfalls einer Stickstoffdüngung und Trockenstress, einzeln und in Kombination, unterzogen. Die Ergebnisse können dazu beitragen wichtige Einblicke in die zugrunde liegenden Mechanismen der kombinierten Auswirkungen wichtiger Treiber des globalen Wandels und den Einfluss verschiedener Artenkombinationen auf die Vitalität der Rotbuche zu gewinnen.

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Metadaten
Author:Christoph Dziedek
URN:urn:nbn:de:gbv:luen4-opus-146077
URL: https://pub-data.leuphana.de/frontdoor/index/index/docId/967
Advisor:Werner Härdtle (Prof. Dr.)
Referee:Brigitte Urban (Prof. Dr.)GND, Carsten Hobohm (Prof. Dr.)GND
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2019
Date of Publication (online):2020/02/06
Publishing Institution:Leuphana Universität Lüneburg, Universitätsbibliothek der Leuphana Universität Lüneburg
Granting Institution:Leuphana Universität Lüneburg
Date of final exam:2019/03/11
Release Date:2020/02/06
Institutes:Fakultät Nachhaltigkeit / Institut für Ökologie (IE)
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 58 Pflanzen (Botanik) / 580 Pflanzen (Botanik)
Licence (German):License LogoDeutsches Urheberrecht