How does soil water potential limit the seasonal dynamics of sap flow and circumference changes in European beech?

Abstract

Abstract We focus on the analysis of sap flow and stem circumference changes in European beech (Fagus sylvatica, L.) in relation to available soil water and weather conditions during the growing seasons 2012 and 2013. The objective was to examine how soil water potential affects growth and transpiration of a mature beech stand situated at the lower distributional limit of beech in Slovakia. To be able to evaluate beech response to soil water shortage, we irrigated a group of 6 trees during the period of pronounced drought, while the control group of other 6 trees remained exposed to actual weather conditions. Mean air temperatures of both seasons were considerably above the long-term average and the temporal pattern of precipitation differed between the years. During the whole growing season 2012, beech samples transpired an average volume of 6.9 m3 of water in the control and 7.7 m3 in the irrigated group. A slightly higher average volume was found in the growing season 2013 under both treatments (7.7 m3 in control and 10.5 m3 in irrigated trees). In the drought period 2012, when the irrigation experiment was commenced, the sap flow in the control group was reduced by 30% as compared with the irrigated group. In 2013, a 38.1% difference in sap flow was observed between the groups. Sap flow in the non-irrigated trees decreased with reducing soil moisture, and ceased at soil water potential -0.6 MPa. In both treatments and years, we found significant correlations between hourly sap flow and investigated weather variables. A reduction in stem circumferences of the control trees, which was observed during stem shrinkage phase, was up to 19% in 2012 and 10% in 2013. We conclude that stem circumference shrinkage during the peak of soil drought was induced by the cessation in the sap flow process. Abstrakt V práci sa zameriavame na analýzu transpiračného prúdu a zmien obvodov kmeňa buka lesného (Fagus sylvatica L.) vo vzťahu k disponibilnej pôdnej vode a meteorologickým podmienkam vo vegetačnom období 2012 a 2013. Cieľom bolo zistiť, ako vodný potenciál pôdy ovplyvňuje rast a transpiráciu bukového porastu na spodnej hranici výskytu buka na Slovensku. Počas periódy pôdneho sucha bola skupina 6 jedincov buka intenzívne zavlažovaná, zatiaľ čo kontrolná skupina 6 jedincov bola vystavená aktuálnym meteorologickým podmienkam. Vo vegetačnej sezóne oboch rokov boli zistené nadpriemerné mesačné teploty vzduchu. Časové rozloženie zrážok počas vegetačnej sezóny sa medzi rokmi líšilo. Vo vegetačnom období 2012, jedince buka transpirovali priemerne 6,9 m3 vody v kontrolnej skupine a 7,7 m3 v zavlažovanej skupine. V roku 2013 bol v oboch skupinách zistený vyšší objem transpiračného prúdu (priemerne 7,7 m3 v kontrolnej a 10,5 m3 v zavlažovanej skupine). V priebehu zavlažovacieho experimentu v období sucha 2012 bol transpiračný prúd jedincov kontrolnej skupiny v porovnaní so zavlažovanými jedincami buka nižší o 30 %. V roku 2013 bol medzi skupinami pozorovaný rozdiel 38,1 %. Vplyv pôdneho sucha na transpiráciu sa začal významne prejavovať pri hodnote vodného potenciálu pôdy −0,6 MPa. V oboch skupinách aj rokoch bol preukázaný štatisticky významný vzťah medzi hodinovými údajmi transpiračného prúdu a väčšinou skúmaných meteorologických charakteristík. Počas fázy zmršťovania kmeňov v období sucha, bol u jedincov kontrolnej skupiny pozorovaný 19 % pokles na obvode stromov v roku 2012 a 10 % v roku 2013. Na základe našich pozorovaní môžeme konštatovať, že kontrakcie obvodov kmeňov v období vrcholiaceho pôdneho sucha boli vyvolané útlmom v procese transpiračného prúdu.