"Eesti Teadusfondi uurimistoetus" projekt ETF8333
ETF8333 "Atmosfääri suureneva õhuniiskuse mõju metsapuude veevahetusele ja hüdraulilisele arhitektuurile (1.01.2010−31.12.2014)", Arne Sellin, Tartu Ülikool, Loodus- ja tehnoloogiateaduskond, Tartu Ülikooli Ökoloogia- ja Maateaduste Instituut.
ETF8333
Atmosfääri suureneva õhuniiskuse mõju metsapuude veevahetusele ja hüdraulilisele arhitektuurile
Impact of increasing atmospheric humidity on water relations and hydraulic architecture of forest tree species
1.01.2010
31.12.2014
Teadus- ja arendusprojekt
Eesti Teadusfondi uurimistoetus
ETIS klassifikaatorAlamvaldkondCERCS klassifikaatorFrascati Manual’i klassifikaatorProtsent
1. Bio- ja keskkonnateadused1.4. Ökoloogia, biosüstemaatika ja -füsioloogiaB270 Taimeökoloogia 1.5. Bioteadused (bioloogia, botaanika, bakterioloogia, mikrobioloogia, zooloogia, entomoloogia, geneetika, biokeemia, biofüüsika jt100,0
PerioodSumma
01.01.2010−31.12.2010192 000,00 EEK (12 271,04 EUR)
01.01.2011−31.12.201112 271,20 EUR
01.01.2012−31.12.201212 271,20 EUR
01.01.2013−31.12.201312 271,20 EUR
01.01.2014−31.12.20140,00 EUR
49 084,64 EUR

Kliimamuutuste tulevikustsenaariumid ennustavad suurematel laiuskraadidel nagu Põhja-Euroopas, s.h. Balti regioonis, keskkonna muutumist niiskemaks. Välitingimustes uuritakse taime veevahetuse, hüdrauliliste karakteristikute ja gaasivahetuse vahelisi seoseid majanduslikult olulistel puuliikidel (hübriidhaab, Populus tremula × P. tremuloides; arukask, Betula pendula) suurenenud suhtelise õhuniiskuse (RH) korral, kasutades selleks eksperimentaalset vabaõhu niiskusega manipuleerimise (FAHM) infrastruktuuri. Me plaanime uurida puude veevahetuse ja hüdraulilise arhitektuuri seadistumist reaktsioonina suurenevale õhuniiskusele, mõõtes taime erinevate organite (juurestik, tüvi, oksad, lehted) funktsionaalseid tunnuseid. Kuna mitmed varasemad tööd on näidanud lehtede suurt osatähtsust taime vedele faasi kogutakistuses ja lehtede suurt hüdraulilise regulatsiooni võimet, on käesolev projekt rohkem fokusseeritud lehe tasemel uuringutele. Me oletame, et puudes, mis kasvavad suurenenud RH tingimustes, vähenevad ksüleemivoolu intensiivsus, hüdrauliline juhtivus ja fotosünteesi veekasutuse efektiivsus (WUE). Samas peaksid niiskemad tingimused kaasa tooma ksüleemi suurema ohustatuse kavitatsioonist ja õhulõhede kõrgema tundlikkuse atmosfääri veeaururõhu defitsiidi suhtes, muutes seega taimed tundlikumaks keskkonna fluktuatsioonide suhtes. Tugev korrelatsioon ksüleemi hüdrauliliste omaduste ja CO2 assimilatsiooni maksimumtempo vahel, mis on tuvastatud paljusid liike hõlmavates töödes, näitab, et puude investeeringud fotosünteetilisse potentsiaali on võrdelised nende veetranspordivõimega. Kui veevoog läbi puude ja nende hüdrauliline juhtivus (ja lehtede varustatus toitainetega?) vähenevad suurenenud RH tõttu, siis me oletame ka puude fotosünteesivõime ja kasvukiiruse alanemist piisava mullavee kättesaadavuse tingimustes. Testimaks neid hüpoteese, otsime vastust järgmistele küsimustele: a) Kas suurenenud RH põhjustab ksüleemivoolu intensiivsuse ja taime hüdraulilise juhtivuse vähenemist, ja kas neil on mõju gaasivahetuse parameetritele (õhulõhede juhtivus, fotosünteesivõime, WUE)? b) Kas suurema õhuniiskuse käes kasvanud puudel on kõrgem õhulõhede tundlikkus ja ksüleemi funtsionaalne haavatavus? c) Milline on erinevate füsioloogiliste mehhanismide (stomataarsed versus hüdraulilised piirangud, alanenud fotosünteesivõime, vähenenud toitainete varustatus) koostoime eri ajaskaalades põhjustamaks oletatavat kasvukiiruse vähenemist suurenenud RH tingimustes?
Climate change scenarios predict wetter conditions for the future at high latitudes like in Northern Europe, including the Baltic region. Relationships between plant water relations, hydraulic characteristics and gas exchange in saplings of commercially important woody species (hybrid aspen, Populus tremula × P. tremuloides; silver birch, Betula pendula) will be examined at elevated relative humidity (RH) of air in field conditions using experimental facilities for Free Air Humidity Manipulation (FAHM). We are going to study adjustment of tree’s water relations and hydraulic architecture in response to increasing atmoshperic humidity, sampling different parts of the trees (leaves, branches, main stem, roots) for their functional traits. As several previous studies have revealed a substantial contribution of leaves to the plant total liquid-phase resistance and high capacity of leaves for hydraulic regulation, the present project will be more focused on the leaf-level measurements. We hypothesize that growing trees under elevated RH will decrease sap flow through the trees, plant hydraulic conductance and photosynthetic water-use efficiency (WUE). At the same time, humid conditions should lead to higher xylem vulnerability to cavitation and stomatal sensitivity to atmospheric vapour pressure deficit, making thus the plants more susceptible to environmental fluctuations. A strong correlation between xylem hydraulic properties and maximum rates of net CO2 assimilation observed in interspecific studies suggests that allocation to photosynthetic potential is proportional to trees’ water transport capacity. If water flux through trees and their hydraulic conductance (and leaf nutrient supply?) decrease in response to increasing RH, then we expect decline in trees’ photosynthetic capacity and growth rate at sufficient soil water availability. To test the hypotheses, we seek answers to the following questions: a) Does elevated RH induce decrease in sap flux density and plant hydraulic conductance, and do they have consequences on gas exchange parameters (stomatal conductance, photosynthetic capacity, WUE)? b) Do trees grown at high humidity exhibit higher stomatal sensitivity and xylem functional vulnerability? c) How different physiological events/mechanisms (stomatal versus hydraulic constraints, lower photosynthetic capacity, diminished nutrient supply) interact over different time scales to cause a putative decline in growth rate in response to elevated RH?
Grandiprojekti raames uuriti puude veevahetust, hüdraulilisi omadusi ja gaasivahetust Põhja-Euroopas majanduslikult olulistel liikide (hübriidhaab, Populus tremula × P. tremuloides; arukask, Betula pendula) noortel taimedel kunstlikult suurendatud suhtelise õhuniiskuse (RH) tingimustes välikatses. Veeauru kontsentratsiooni tõus atmosfääri alakihtides kõrgetel laiuskraadidel aeglustab puudes ksüleemivoolu, mis raskendab toitainete omastamist mullast, ja vähendab puude hüdraulilist juhtivust. Mineraaltoitainete absorptsiooni vähenemise tagajärjel lehtede N ja P sisaldus ning P:N suhe vähenevad, mis põhjustavad lehtpuude fotosünteesivõime (Amax, Vcmax, Jmax) alanemist. Suurenev atmosfääri niiskusesisaldus ei põhjusta tüve- ja oksapuidu kavitatsioonikindluse muutusi, küll aga suureneb lehestiku hüdraulilise düsfunktsioonirisk. Veedefitsiidi korral vähenevad lehe hüdrauliline juhtivus (vastutab sulgrakkude veevarustuse eest) ja õhulõhede juhtivus (vastutab veekadude vähendamise eest) kõrgema RH tingimustes kasvanud puudel ebaproportsionaalselt. Sellest johtuv lehestiku suurenenud hüdraulilise düsfunktsiooni risk kujutab regionaalsete kliimamuuste perspektiivis potentsiaalset ohtu hemiboreaalsetele metsaökosüsteemidele. Suureneva RH mõjul kasvab Huberi väärtus puude tüves, mis viitab allokatsiooni muutusele võsu tasemel: suureneb mittefotosünteesivate kudede (juhtkoed) osatähtsus fotosünteesivate kudede (mesofüll) suhtes, mis tähendab säilitushingamise kulude suurenemist ja täiendavat kasvu limitatsiooni. Kui suureneva õhuniiskuse mõjul kasvab tüves ka parenhüümi osatähtsus surnud puidukudede suhtes, toob see vältimatult kaasa hingamiskulude kasvu. Prognoositud globaalsetest kliimamuutustest indutseeritud puude kasvukiiruse suurenemine põhjalaiuskraadidel tänu vegetatsiooniperioodi varasemale algusele kevadel ja kõrgemale süsiniku assimilatsiooni kiirusele võib osutuda väiksemaks või puududa, kui temperatuuri kasvuga kaasneb atmosfääri niiskusesisalduse tõus.