Article details
On growth patterns and mechanisms in arctic-alpine shrubs
Arctic-alpine ecosystems are considered hot-spots of environmental change, with rapidly warming conditions causing massive alterations in vegetational structure. These changes and their environmental controls are highly complex and variable across spatial and temporal scales. Yet, despite their numerous implications for the global climate system, the underlying physiological processes and mechanisms at the individual plant scale are still little explored. Using hourly recordings of shrub stem diameter change provided by dendrometers, paired with on-site environmental conditions, enabled us to shed light on these processes. In this way, growth patterns in three widely distributed shrub species were assessed and linked to thermal and hygric conditions. We started our analysis with a close examination of one evergreen species under extreme environmental conditions, followed by a comparison of evergreen and deciduous species, and, finally, a comparative look at growth patterns across local micro-habitats. The results revealed distinct growth strategies, closely linked to species-specific water-use dynamics and cambial rhythms. Within the heterogenous alpine landscape these conditions were mainly attributed to the variation in local micro-habitats, defined by fine-scale topography and consequent variation in snow conditions and exposure. Thus, the overall growth success was mainly controlled by complex seasonal dynamics of soil moisture availability, snow conditions, and associated freeze–thaw cycles. It was therefore in many cases decoupled from governing regional climate signals. At the same time, exceedingly high summer temperatures were limiting shrub growth during the main growing season, resulting in more or less pronounced bimodal growth patterns, indicating potential growth limitation with on-going summer warming. While shrubs are currently able to maximize their growth success through a high level of adaptation to local micro-site conditions, their continued growth under rapidly changing environmental conditions is uncertain. However, our results suggest a high level of heterogeneity across spatial and temporal scales. Thus, broad-scale vegetational shifts can not be explained by a singular driver or uniform response pattern. Instead, fine-scale physiological processes and on-site near-ground environmental conditions have to be incorporated into our understanding of these changes.
Die arktisch-alpinen Ökosysteme sind als Hot Spot des Umweltwandels bekannt. Rapide ansteigende Temperaturen haben während den vergangenen Jahrzehnten für massive Veränderungen in der Vegetationsstruktur gesorgt. Dennoch sind diese Veränderungen und ihre Treiber räumlich und zeitlich sehr komplex und trotz ihres starken Einflusses auf das globale Klima sind die zu Grunde liegenden physiologischen Prozesse und Mechanismen auf der Ebene der einzelnen Pflanzen noch immer wenig untersucht. Zum ersten Mal wurden hier deshalb in großem Umfang stündliche Dendrometer-Messungen der Stammdickenveränderungen von Sträuchern, zusammen mit hoch aufgelösten, Standort-spezifischen Umweltdaten genutzt, um diese Prozesse genauer zu beleuchten. Auf diese Weise wurden Wachstumsprozesse dreier Straucharten untersucht und mit den standörtlichen thermischen und hygrischen Bedingungen in Verbindung gebracht. Zunächst wurde dabei das Wachstum einer immergrünen Art unter extremen Umweltbedingungen betrachtet. Es folgte ein Vergleich zwischen immergrünen und laubwerfenden Arten und, abschliessend, eine vergleichende Betrachtung der Wachstumsmuster in unterschiedlichen lokalen Mikrohabitaten. Dadurch konnten ausgeprägte Wachstumsstrategien offengelegt werden, die stark mit dem Wasserhaushalt und Wachstumsrythmus der einzelnen Arten in Verbindung stehen. In heterogener alpiner Topographie sind diese Bedingungen Ausdruck der Variabilität in kleinräumigen Mikrohabitaten, die v.a. durch die Variabilität in Schneeverteilung und Sonneneinstrahlung bedingt wird. Der Wachstumserfolg insgesamt ist hauptsächlich durch saisonale Dynamiken bestimmt, darunter die Verfügbarkeit von Bodenwasser, Schneeverteilung, und damit verbundene Frostwechselzyklen. Übergeordnete, regionale Klimavariabilität spielt eine geringere Rolle. Gleichzeitig wird das Wachstum im Sommer durch außergewöhnlich hohe Temperaturen stark negativ beeinträchtigt, wodurch eine mehr oder weniger stark ausgeprägt Bimodalität in den jährlichen Wachstumsmustern entsteht. Dies deutet auf eine mögliche Wachstumslimitierung unter Sommererwärmung hin. Während Sträucher demnach aktuell in der Lage sind, ihren Wachstumserfolg durch ein hohes Maß an Anpassung an kleinräumige Bedingungen zu maximieren, ist es fraglich, in wie weit dieses Wachstum unter sich schnell ändernden Bedingungen fortgesetzt werden kann. Die Ergebnisse dieser Arbeit deuten darauf hin, dass diese Prozesse stark räumlich und zeitlich variieren werden. Die beobachteten Vegetationsveränderungen in den arktisch-alpinen Ökosystemen können demnach nicht durch einen einzelnen Treiber oder allgemeingültiges Antwortmuster erklärt werden. Stattdessen müssen physiologische Prozesse und standort-spezifische kleinräumige Umweltbedingungen in unser Verständnis dieser Veränderungen einbezogen werden.
