CREAF
Què en fan de l’aigua els boscos? Santi Sabaté Departament d’Ecologia (UB) i Centre de Recerca Ecològica I Aplicacions Forestals (CREAF)
V JORNADA CREAF – SCB – ICHN PERSPECTIVES EN L'ÚS DE L'AIGUA ALS ECOSISTEMES TERRESTRES
CREAF
Què en fan de l’aigua els boscos? L’aigua determina les pautes al nostres boscos Circulació de l’aigua al bosc L’aigua a les plantes Com pot afectar el canvi climàtic
CREAF
L’aigua determina les pautes al nostres boscos Leaf Production at l’Avic
Leaf Production (Mg ha-1 año-1)
Zone
1988
1989
Ridge-top
2.9 ± 0.3
1.6 ± 0.6
Valley
3.4 ± 0.1
2.5 ± 0.1
Rainfall mm
734
328
(pre-growth period September - June)
Sabaté et al. 1999
L’aigua determina les pautes al nostres boscos CREAF
Long-term integrated effect of water on wood production
Juanjo Ibàñez, jordi Vayreda et al.
1976
1986
Precipitation = 1059 mm
Precipitation = 522 mm
Growth = 3.86 mm
Growth = 0.76 mm
Production = 3.17 dm3
Production = 1.79 dm3
Pinus sylvestris wood core... Showing the effect of water availability on growth from both two contrasting seasons (spring vs. summer) and years (1976 vs. 1986) (data from IEFC)
From perhumid
to semiarid
Mean wood production of main tree species in Catalonia Wood Production (m3/ha/any)
Species
Sistema d’informació dels Boscos de Catalunya
0
5
10
15
Castanea sativa Fagus sylvatica Quercus petraea Quercus pubescens Quercus cerrioides Quercus ilex Pinus halepensis Pinus pinea Pinus nigra Pinus pinaster Pinus sylvestris Pinus uncinata Abies alba
J Vayreda
From perhumid
to semiarid
CREAF
L’aigua determina les pautes al nostres boscos Experimental drought in Quercus ilex forest at Prades
CREAF
Stem diameter growth 0.044 0.038
Q. ilex
0.032
Drought Control
Growth (D-50, cm)
0.025 0.019 0.013 0.006 0.038
P. latifolia
0.032 0.025 0.019 0.013 0.006 0
(Ogaya 2000)
Tree structure
Shrub structure
CREAF
L’aigua determina les pautes al nostres boscos
Continuous CO2 fluxes. Effects of soil water content and temperature Soil Respiration. Catalonia (Bages) Year 2005 No thinning winter No thinning spring No thinning early summer No thinning late summer No thinning autumn Thinning winter Thinning spring Thinning early summer Thinning late summer Thinning autumn
0.8
S
0.4
0.5 0.4
cm
0.2 10 tu r e
( ºC )
0
rc
il w
p era
W 0.0
So
INIA Project RTA04-028-C2-1
0.1
20
at e
30
t(
0.3
t en
S 0.0
T em
3 ·c m
-3
)
A 0.2
on
-2 -1 gC·m ·h
0.6
CREAF
L’aigua determina les pautes al nostres boscos
Pi/Po of the labile-P soil fraction
Experimental drought in Quercus ilex forest at Prades
P Availability
0,05
0,04
a ab
0,03
b
0,02
0,01
0
C
D
DD
(Control)
(Runoff exclusion)
(Runoff + rainfall exclusion)
Sardans & Peñuelas (Plant and Soil)
L’aigua determina les pautes al nostres boscos Drought effects on carbon dynamics in the Mediterranean Early July 1998 to late October 1999, Puechabon 4
Recovery
NEE g C m-2
3 2 1 0
-1 -2 -3
Drought
Time (days)
Dream CNRS (Rambal et al.)
L’aigua determina les pautes al nostres boscos
Interactions are important to be analysed Quercus ilex seedlings in CONTROLLED ENVIRONMENT 350 ppm = Water 2 CO 350CO ppm 2 = Water 350 ppm CO 1/2 350 ppm 1/2 Water 2 CO 2 Water
40
35
35
Plant Height (cm) Plant Height (cm)
40
30
30
25
25
20
20
15
15
10
10
5
5
0
0
500 ppm CO 2CO= Water 500 ppm 2 = Water 500 ppm CO 1/2 500 ppm2CO 2 Water 1/2 Water
Mar Mar Apr Apr May May Jun JunJul JulAug Aug Sep SepOct OctNovNov
Month Month
(López et al. 1997)
CREAF
Què en fan de l’aigua els boscos? L’aigua determina les pautes al nostres boscos Circulació de l’aigua al bosc L’aigua a les plantes Com pot afectar el canvi climàtic
CREAF
Circulació de l’aigua als boscos
Precipitació Precipitació Evaporació Intercepció
Parcel·la
Transpiració Transpiració
Intercepció
Aigua a la vegetació
Precip itació efectiva
Trascol
Escolament cortical
Escolament cortical
Escolarment superficial al sòl
Escolament superficial
Aigua al sòl
Sortides per gravetat Drenatge
Circulació de l’aigua als boscos CREAF
Interception and precipitation
Relació entre la precipitació i la proporció d’aquesta interceptada en un bosc de pi roig (Pinus sylvestris) (de Llorens et .al 1997)
CREAF
Circulació de l’aigua als boscos
Water Stored in Soil (mm) Data from GOTILWA+ simulations at L’Avic Holm oak forest according to different soil depth conditions
Soils with ≠ max. depths m 1 0.5 0.3 0.2
Water Stored in Soil (mm, n=36500) Max Min Mean mm mm mm 96
5
25
53 35 24
1 0.4 0.2
13 7 5
IF L+F 500 g/m2 And A+B (% dry weight of soil) 0.7 And Stones (50% of soil volume) And Precipitation regime from Poblet Meteorological station (Annual precipitation: max 944mm/y, min 341 mm/y and mean 580 mm/y)
CREAF
Circulació de l’aigua als boscos Conca
Conca de l’AVIC (Prades), registre en continu del drenatge + l’escolament en superfície del sòl (roca mare impermeable) Fotos: Santi Sabaté
Circulació de l’aigua als boscos CREAF
Hydrological watershed annual Balance Sites with impermeable bedrock that prevents underground infiltration Ea: evapotranspiració real. P: precipitació. Q: rieraQ: a la sortidaflow de laP=Q+Ea conca. P= Q + Ea Ea: actual evapotranspiration, P:cabal rainfall, stream AVIC (Prades, Tarragona) ETP=1050 mm
Q, Ea anual (mm)
700 600
Ea Q
HUBBARD BROOK (USA) ETP=561 mm 1400
Ea Q
1200
500 400
1000
300
800
200
600
100
400
0
0 0 200 300 400 500 600 700 800
0
1000 1200 1400 1600 1800
P anual (mm) P anual (mm) Annual Actual Evapotranspiration in the Mediterranean forests accounts for about 90 % of precipitation. From Josep Piñol 1990
Circulació de l’aigua als boscos CREAF
Hydrological watershed annual Balance
From Piñol et al 1991, 1995
CREAF
Què en fan de l’aigua els boscos? L’aigua determina les pautes al nostres boscos Circulació de l’aigua al bosc L’aigua a les plantes Com pot afectar el canvi climàtic
L’aigua a les plantes CREAF
Hidratació teixits (important en ser el medi on l’activitat metabòlica té lloc)→ Contingut d’aigua a la biomassa
Transpiració (flux per dins les plantes des del sòl a les arrels, de les arrels a les fulles passant pels troncs i de les fulles a l’atmosfera).
Transport dels nutrients són transportats de les arrels a les fulles. Regulació de la temperatura foliar
Donadora d’electrons per la reducció del carboni, H+ alliberament de O2 a la fotosíntesis i retorn d’aigua amb la respiració
L’aigua a les plantes CREAF
Hidratació teixits→ Contingut d’aigua a la biomassa Avet de Douglas (Pseudotsuga menziesii) A The Wind River Crane Research Site Columbia River a Washington (USA) 57 m alçada 1.29 m diàmetre 95 m2 projecció capçada Edat : entre 450 i 480 anys Cermak et al 2007 Tree Physiol 27
L’aigua a les plantes CREAF
Hidratació teixits→ Contingut d’aigua a la biomassa Avet de Douglas (Pseudotsuga menziesii) 57 m alçada 1.29 m diàmetre, 95 m2 projecció capçada, Edat : entre 450 i 480 anys
Free water (dm3) Sapwood total Phloem total Sapwood + Phloem total Needles total Wet tissues total
Tree total 1217
% 85.4
161 1379 47 1426
11.3 96.7 3.3 100
The Wind River Crane Research Site, Columbia River a Washington (USA) 1426 dm3/95m2= 15 mm aeris, + 3mm si Cermak et al 2007 Tree Physiol 27
assumim un 20% subterranis (no a l’article)
L’aigua a les plantes CREAF
Hidratació teixits → Contingut d’aigua a la biomassa Fracció de la Biomassa Pes sec biomassa /pes fresc g m-2 600 0.6 a 0.4 Fulles 10420 Troncs i arrels +12800 = gruixudes
Arrels fines
23220 71
Contingut d’aigua (mm) 0.4 a 0.9
0.7 a 0.6
10 a 15.5
0.1
0.6
11 a 17 mm
Linking Photosynthesis (GPP) with water... Photosynthesis versus transpiration (Water use efficiency)
Water use efficiency (WUE) as the amount of entered CO2 through leaf stomata per amount of water transpired. S.SabatĂŠ
CREAF
Linking Photosynthesis (GPP) with water...
GPP = NPP + R Hom Oak at l’Avic
Biomass g· m-2
NPP g· m-2 year-1
Leaf Trunks, branches, coarse-roots Fine roots
600
230
23220
1136
71
260
Rodà et al (eds) 1999, López et al 2001, et al.
CREAF
How much water is needed for plant respiration and growth
Linking Photosynthesis (GPP) with water...
GPP = NPP + R R = R growth + R maintenance 0.188 gC·g OM-1
Growth respiration is estimated to be around 1.47 g glucose to build 1 g OM. That means: 0.47 g glucosa g MO-1 are lost (repired). I.e. 0.188 gC gMO-1 (0.4 g C g glucose)
mgC·gOM-1· d-1
Maintenance respiration is variable and mainly depends on temperature
R = R growth + R maintenance
CREAF
Rm = 7· Q10 (tª-15)/10
35.0 30.0 25.0 20.0 15.0 10.0 5.0 0.0 -5.0 -10.0 1
31
61
91
121
151
181
211
241
271
301
331
361
Dia de l'any
14 12 10 8 6 4 0
Respiració de Manteniment
Respiració mg C / gMO·dia
R maintenance (mgC·gMO-1·d -1)
Temperatura ºC
Temperatura Mitjana diària bosc de Poblet
5
10
15
20
temperature ºC
8.0 7.0 6.0 5.0 4.0 3.0 2.0 1.0 0.0 1
31
61
91
121
151
181
211
Dia de l'any
241
271
301
331
361
25 30
CREAF
Linking Photosynthesis (GPP) with water...
NPP + Rg + Rm= GPP PPN
Rg
Rm
GPP
Leaves
108
43
320
471
Trunks, branches and coarse roots Fine roots
534
214
74
822
122
49
76
247
Total
764
306
470
1540
Total Cost gC—
m-2—
year-1
Water mm/y
Maintenance takes about 30% of photosynthesis (GPP), mostly for leaves. and both growth and maintenance respiration about 50% of GPP
?
Foto: S.SabatĂŠ
Water use efficiency Quercus ilex (Prades): C fixation (PPB) devoted to leaves, 0.471 kg C/m2(ground) requires:
4.98 mmols C / mol water = 301 kg water / kg of C 142 kg of transpired water = 177 mm of rainfall (if 80% of rainfall is transpired and 10% intercepted)
Water investment versus carbon for leaves of Quercus ilex at Prades Water GPP mm/y
PPN
Rg
Rm
Leaves
108
43
320
471
142
Trunks, branches and coarse roots
534
214
74
822
247
Fine roots
122
49
76
247
74
Total
764
306
470
1540
Transpiration (mm/y)
230
92
141
463
Precipitation if 80% is transpired (mm/a)
288
115
177
580
Total Cost gC—
m-2
(ground) —
year-1
Poblet Meteorological station (1980-1994) Mean precipitation 548 mm/year Riudabella Meteorological station (1958-1988) Mean precipitation 658 mm/year
CREAF
Aigua a la respiració i la fotosíntesis de les plantes 18 g aigua per cada 12 g de C
Respiració als mitocondris 6CO2 + 6H2O C6H12O6 + 6O2 Fotosíntesis als cloroplasts
1540 gC· m-2 (terreny) · any-1 consumeixen 2.4 mm aigua 776 gC· m-2 (terreny) · any-1 generen o retornen 1.2 mm aigua
CREAF
L’aigua a les plantes
Most of water is transpired in this Quercus ilex forest ecosystem located at Prades (Tarragona) Transpiration
Free water in fresh tissues
Water for Photosynthesis
mm/year
mm
mm/year
463
11 a 17
2.3
Water produced by autotrophic respiration mm/year
1.2
Water produced by heterotrophic respiration,... is a lower amount than water used annually by photosynthesis. If fine roots and leaves production decompose 230 gC· m-2 (ground ) · any-1 generates 0.345 mm/year of water,… some more when other litter decompose.
CREAF
Què en fan de l’aigua els boscos? L’aigua determina les pautes al nostres boscos Circulació de l’aigua al bosc L’aigua a les plantes Com pot afectar el canvi climàtic
U CREAF
GOTILWA+ model
B
Climate variables Management
Forest Structure Soil
Ecophysiology
CREAF
GOTILWA+ OUTPUT variables Production: GPP, NPP (kg C/ha/year) Respiration (autotrophic & heterotrophic) (kg C/ha/a単o) Carbon Balance: NEE (kg C/ha/a単o) Stemwood: Yield (m3/ha/a単o) Carbon (leaves wood, roots and soil) (Mg/ha) Mobile carbon (kg/ha) Leaf Area Index LAI (m2/m2) Mean leaf life span (years) Leaf litterfall (kg/ha/year) Actual evapotranspiration: ETR (mm/year) Water in soil (mm)
ATEAM and ALARM analysis Data Bases (local and European) Soil Inventories
Forest Inventories
GIS MiraMon Process analysis
Model GOTILWA+
Meteorological Data
GCMs ATEAM / ALARM Climate Scenarios SilviStrat Baseline Management
MiraBosc present
future
Soil water content (mm) CREAF
Baseline
1990
A2-HadCM3
2020
2050
2080
Forest structure and ecosystem physiology group
PIXELS WHERE SIMULATIONS SHOW MORTALITY OF BROADLEAVED EVERGREEN FORESTS
Baseline
A2-HadCM3
TRENDS OF EVAPOTRANSPIRATION IN CATALONIAN FORESTS – HadCM3
Evapotranspiració real (mm/any)
Mountain Pixels
Mediterranean Pixels
800
mitjana ± (sd/10), n = 121
mitjana ± (sd/10), n = 33 700 600 500 400 300 200 100 1900
1925
1950
1975
2000
2025
2050
2075
2100 1900
1925
1950
1975
2000
2025
2050
2075
Baseline (1901-2000) B1 (2001-2100) A2 (2001-2100) A1Fi (2001-2100)
Mortality would affect water balances by decreasing evapotranspiration in forested areas, but while vegetation continues alive it would approach evaporative demand while water is available.
2100
Idees per acabar... CREAF
L’aigua marca la pauta de molts processos relacionats amb el creixement. En general entre un 10 i un 20 % de la pluja pot ser interceptada si és >10 mm. La fracció de la pluja interceptada augmenta si plou menys. La major part de l’aigua és transpirada, hem estimat 463 mm anuals a l’alzinar de Prades quan plouen 580 mm anuals i on la ETP>1000 mm. L’aigua per la fotosíntesi és 2.3 mm, per la respiració autotrófica 1.2 mm i per la heterotròfica < 1 mm. Tot això és < al 0.5% de la transpirada. Per fixar Carboni es necessita aigua, ex. 301 kg H2O per kg de C. La hidratació de teixits a l’alzinar pot oscil·lar entre 11 i 17 mm. Més demanda evaporativa amb el canvi climàtic es pot traduir en més transpiració ó en més mortalitat. Si hi ha més mortalitat o canvis de cobertes, l’ús de l’aigua als boscos també pot canviar.
Gràcies!!