2008 creaf ub sabate

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!!