MODUL: TWITTERNDE BÄUME
Unsere Twittering Trees sind zwei Buchen und zwei Eichen, von denen jeweils ein Paar im Stadtgarten Siegen und eines in Burbach steht. Sie sind mit Sensoren versehen, die jede halbe Stunde den Fluss des Wassers im Innern des Stammes hinauf messen und mit Sensoren, die den Umfang der Bäume bestimmen.
Doch warum fließt überhaupt das Wasser im Innern den Stamm des Baumes hinauf?
Und warum beeinflusst das den Stammdurchmesser im Verlauf des Tages?
Umfang der Bäume
Abbildung 1: Veränderung des Umfangs der Twittering Trees in mm.
Die Blätter
Der Grund für diese Phänomene liegt in den Blättern. Hier betreiben die Bäume Photosynthese, machen also aus Wasser (H2O) und Kohlenstoffdioxid (CO2) die Endprodukte Zucker und Sauerstoff (O2). Damit die Bäume die Photosynthese betreiben können, müssen die Ausgangsstoffe, also Wasser und Kohlenstoffdioxid, in ausreichender Menge vorhanden sein. Allerdings kann das CO2, das sich in der den Baum umgebenden Luft befindet, nicht einfach in die Zellen der Blätter hinein. Das liegt daran, dass die Blätter mit einer dünnen Wachsschicht gegen unkontrollierte Verdunstung von Wasser geschützt sind, was gleichzeitig die Aufnahme von Kohlenstoffdioxid verhindert. Dafür haben die Blätter Hohlräume auf der Unterseite, die sie mittels spezieller Schließvorrichtungen, den Stomata, öffnen und schließen können. In diesen Hohlräumen besteht Kontakt zwischen feuchten Zelloberflächen, die CO2 aufnehmen können, und der Luft. An dieser Stelle verdunstet auch eine große Menge Wasser und verlässt den Baum durch die Spaltöffnungen.
Diese Verdunstung führt zu einem Sog, der sich durch die Zellen der Blätter, über die Äste bis in die Wurzeln hinein fortsetzt.
Der Stamm
Diese Bewegung setzt nicht überall zugleich ein. Messungen in Wurzeln, Stamm und Zweigspitzen haben gezeigt, dass sich zuerst das Wasser in den Zweigspitzen in Bewegung setzt. Da die Wasserteilchen durch Kohäsion miteinander zusammenhängen, ziehen die Wasserteilchen in den Zweigspitzen dabei ebenfalls am Wasser im Stamm, das nach oben gezogen wird. Das Wasser zieht aber nicht nur am Wasser weiter unten, sondern auch an den Wänden der Gefäße, in denen es fließt. Dieses Phänomen bezeichnen wir auch als Adhäsion (von lat.: adhaerere – anhaften). Die Gefäße werden dadurch zusammengezogen und das ist genau das, was unser Dendrometer messen soll. Viele sich zusammenziehende Gefäße führen zu einer Abnahme des Umfangs der Bäume.
Testen Sie Ihr Wissen
Wenn morgens die Sonne aufgeht und dadurch die Transpiration an den Blättern steigt…
beginnt der Sog zuerst die Zweig-, und dann den Stammdurchmesser zu verringern.
beginnt der Sog zuerst den Stamm-, und dann die Zweigdurchmesser zu verringern.
zieht sich das Wasser gleichmäßig, wie an einem Faden, durch den gesamten Baum.
beginnt der Sog zuerst die Wurzel-, und dann den Stammdurchmesser zu verringern.
Der Heatpulse-Sensor
Die Menge an Wasser, die durch den Baum zu den Blättern transportiert wird, können wir mit unseren Heat-Pulse Sensoren messen. Das Wasser, das der Baum in den Wurzeln aufnimmt, steht über Leitbahnen im Inneren der Wurzeln mit dem Stamm in Verbindung. Die Leitbahnen, die das Wasser und Mineralstoffe nach oben transportieren, werden Xylem genannt und sie sind hier dargestellt.
Wir haben den Baum an einer Stelle mit drei Löchern angebohrt, um unseren Heat-Pulse Sensor an das sich im Innern des Baums befindende Xylem zu bringen. Der Sensor kann das Wasser an einer Stelle kurz erhitzen. Durch die Geschwindigkeit, mit der dieser Wärmeimpuls bei den anderen Sensoren ankommt, lässt sich errechnen, wie schnell und wie viel Wasser den Baum hinauffließt.
Abbildung 2: Transpirationsmengen in Liter pro Zeiteinheit, hochgerechnet vom Xylemfluss im Stamm zweier Eichen und zweier Buchen. Die Formeln basieren auf den gemessenen Temperaturdaten und müssen für die Eiche noch in Hinsicht auf die Wärmeleitfähigkeit des Holzes optimiert werden.
Die Wurzeln
Die Aufnahme des Wassers findet an den Wurzeln statt. Hier stehen die Wurzelhaare, feine Ausstülpungen der Wurzeln, mit dem Bodensubstrat in enger Verbindung. Während tagsüber an den Blättern Wasser verdunstet, wird über die Wurzelhaare aus dem umgebenden Erdreich passiv Wasser in die Bäume gesogen. Auch nachts fließt Wasser, dadurch dass die Bäume aktiv geladene Teilchen unter der Erde in das Xylem pumpen, was ebenfalls für einen Wassersog im unteren Bereich der Bäume sorgt.
Mit dem Voranschreiten des Klimawandels und den damit einhergehenden häufiger zu erwartenden Extremwetter-Ereignissen, macht sich ein wichtiger Unterschied zwischen den Buchen und Eichen bemerkbar: Während die Buche flachere Wurzeln hat, kann die Eiche auch in Perioden großer Trockenheit ihre tief wachsenden Wurzeln nutzen, um tiefer liegendes Wasser zu erreichen. Die Eichen können sogar nachts das Wasser aus dem Grundwasser in höhere liegende Bodenschichten transportieren und dort zwischenlagern, sodass tagsüber Wassermangel weniger wahrscheinlich ist.
Quellen:
Dieter Heß. 2008. Pflanzenphysiologie 11. Auflage. Eugen Ulmer, Stuttgart.
Peter Raven, Ray Evert, Helena Curtis. 2019. Biologie der Pflanzen. Reprint 3. Auflage. Walter de Gruyter, Berlin, New York.
Kathy Steppe, Raoul Lemeur. 2004. An experimental system for the analysis of the dynamic sap-flow charaxteristics in young trees: results of a beech tree. In: Functional Plant Biology. 31. S. 83-92.
Marion Zapater et al. 2011. Evidence of hydraulic lift in a young beech and oak mixed forest using 18O soil water labelling. In: Trees, Structure and Functioning. 25. S. 885-894.
Frage an den Baum
Tägliche und jährliche Änderung des Saftflusses und der Stammdicke von Eichen und Buchen in Wäldern in Siegen und in Burbach
Tägliche Änderungen von Saftfluss und Baumdicke
An den Blättern eines Baumes verdunstet tagsüber viel Flüssigkeit, da sich Öffnungen (Stomata) an der Blattunterseite öffnen, um Kohlendioxid aufzunehmen und Sauerstoff abzugeben, wenn die Blätter mit Hilfe der Sonnenenergie Zucker herstellen. In Leitbahnen innerhalb von Blättern, Ästen und Stammes wird mit Mineralien angereichertes Wasser aus dem Boden über die Wurzeln in die Baumkrone transportiert.
In Abbildung 3 lässt sich gut sehen, wie tagsüber dieser Saftfluss im Baum stark zunimmt, gegen Mittag am höchsten ist und zum Abend hin wieder abnimmt. Nachts gibt es so gut wie keinen Saftfluss, da dann die Sonne nicht scheint und kaum Verdunstung an den Blättern stattfindet.
Abbildung 3 Beispiel für den Tagesverlauf von Wassertransport (Transpiration) und Änderung im Stammdurchmesser (Abweichung vom niedrigsten Wert der vorangegangenen 24 h)
Neben dem Saftfluss zeigt die Abbildung auch die Stammdicke (den Durchmesser), die sich ebenfalls im Tageslauf verändert. Die starke Verdunstung gegen Mittag übt eine Saugkraft aus, durch die der Stamm etwas dünner wird (etwa wie wenn man stark an einem Strohhalm saugt, der dabei etwas dünner wird). In der Nacht kann sich dann der Stamm wieder etwas mit Wasser füllen und dicker werden. Man kann in Abbildung 1 auch gut sehen, wie sich der Stammdurchmesser im Verlauf mehrerer Tage vergrößert und verkleinert. Der Baum kann durch Austrocknung bei hohen Saftflussraten und Trockenheit schrumpfen und sich dann wieder vergrößern, wenn er sich z.B. nach Regen wieder mit Wasser füllt. Insbesondere im Sommer können trockene und feuchte Perioden einen starken Einfluss auf den Stammdurchmesser haben, über Verdunstung und Austrocknung durch Hitze und hohe Sonneneinstrahlung sowie über „Quellung“ nach Niederschlag. Der Baum wächst natürlich auch und wird dadurch über längere Zeiträume allmählich immer dicker.
Änderungen im Jahresverlauf
Abbildung 4 zeigt den Wassertransport und denStammdurchmesser über knapp zweieinhalb Jahre, beginnend im September 2023. Die Eiche vergrößert sich in der Zeit von etwa 63,2 auf 63,5 cm, wird also etwa 3 mm dicker. Der Saftfluss findet hauptsächlich im Frühjahr und Sommer statt, wenn der Baum Blätter trägt, während im Herbst, Winter und Vorfrühling kein Saft im Baum fließt.
Abbildung 4 Wassertransport und Stammdurchmesser im Verlauf von fast 2 ½ Jahren.
Im Verlauf des Jahres lassen sich deutlich unterschiedliche Perioden erkennen, die den Jahreszyklus von Klima und Baumwachstum widerspiegeln.
Winter: Im Dezember und Januar findet kein Saftfluss statt, und der Stammdurchmesser ändert sich nur wenig. In dieser Zeit hat der Baum kein Laub, betreibt keine Photosynthese, und aufgrund der niedrigen Temperaturen findet kaum Verdunstung statt. Bei Frost kann sich der Stamm zudem abrupt zusammenziehen.
Vorfrühling: Im Februar und März gibt es noch keine Blätter und daher weiterhin kaum Saftfluss. Der Stammdurchmesser kann in diesen Monaten u. a. durch Austrocknung und die damit verbundene Schrumpfung weiter abnehmen.
Frühling: Im April und Mai treiben die Blätter aus, der Saftfluss nimmt stark zu und gleichzeitig wächst der Stamm deutlich in die Breite.
Sommer: Von Juni bis August haben Hitze, Sonneneinstrahlung, Niederschlag und Bodenfeuchtigkeit einen starken Einfluss auf den Stammdurchmesser. Er wird durch Austrocknung kleiner und vergrößert sich durch Wasseraufnahme wieder.
Herbst: Von September bis November nimmt der Saftfluss zunächst allmählich und anschließend deutlich ab. Der Stammdurchmesser kann sowohl durch Austrocknung abnehmen als auch durch Quellung und Wachstum wieder zunehmen.
Reaktion auf Frost
Abbildung 5 Abrupte Änderung des Stammdurchmessers bei Frost ab etwa −5 °C. Durch diese Reaktion schützt sich der Baum vor Frostschäden.
Im Winter können sich Bäume bei Frost (Temperaturen unter etwa −5 °C) relativ abrupt zusammenziehen, wie in Abbildung 5 zu sehen ist. Dabei kann der Stammdurchmesser um bis zu mehreren Millimetern abnehmen. Wasser wird von der Rinde in das Innere des Stammes verlagert, um die Rinde vor Frostschäden zu schützen. Dadurch kontrahiert sich der Stamm.
Bei diesen niedrigen Temperaturen lässt sich gut erkennen, dass der Stammdurchmesser eng mit der Temperatur zusammenhängt: Sinkt die Temperatur, nimmt der Stammdurchmesser ab; steigt sie wieder an, vergrößert sich der Stamm erneut.
Quellen:
Dietrich, L., Zweifel, R., & Kahmen, A. (2018). Daily stem diameter variations can predict the canopy water status of mature temperate trees. Tree Physiology, 38(7), 941–952.
Friedrich, J. (1897). Über den Einfluss der Witterung auf den Baumzuwachs. Mitteilungen aus dem Forstlichen Versuchswesen Österreichs, Heft XXII.
Hoffmann, H. (1857). Witterung und Wachstum oder Grundzüge der Pflanzenklimatologie (S. 312–334). Leipzig.
Steppe, K., Sterck, F., & Deslauriers, A. (2015). Diel growth dynamics in tree stems: Linking anatomy and ecophysiology. Trends in Plant Science, 20(6), 335–343.
Zweifel, R., Zimmermann, L., Zeugin, F., & Newbery, D. M. (2006). Intra-annual radial growth and water relations of trees: Implications towards a growth mechanism. Journal of Experimental Botany, 57(6), 1445–1459.
Waldwissen.net. (o. D.). Baumwachstum und Klima. https://www.waldwissen.net/de/waldwirtschaft/waldbau/waldwachstum/baumwachstum-und-klima
Waldwissen.net. (o. D.). Auswirkungen von Frost. https://www.waldwissen.net/de/lebensraum-wald/klima-und-umwelt/klimawandel-und-co2/auswirkungen-von-frost