Ann. For. Sci. 55 (1998) 237-253
DOI: 10.1051/forest:19980114

Environmental and endogenous controls on leaf- and stand-level water conductance in a Scots pine plantation

Neils Sturm^a, Barbara Köstner^a, Wolfram Hartung^b and John D. Tenhunen<sup>a

a</sup>  Department of Plant Ecology , Bayreuth Institute for Terrestrial Ecosystem Research, University of Bayreuth, 95440 Bayreuth, Germany
^b  Julius-von-Sachs-Institut für Biowissenschaften der Universität Würzburg, Lehrstuhl für Botanik I, Mittlerer Dallenbergweg 64, 97082 Würzburg, Germany

Abstract - Measurements of leaf level gas exchange and conductance, tree transpiration via sapflow monitoring, soil moisture and water extraction, predawn water potential, and xylem abscisic acid (ABA) concentration were carried out over the course of the 1993 and 1994 summer seasons at the Hartheim Pinus sylvestris plantation on the Upper Rhein Plain, Germany. Periodic leaf level conductance determinations with porometry established a maximum value of ca 280 mmol m^-2 s^-1 (13.6 mm s^-1 ). Half maximal conductance was attained at 40 μmol m^{- 2} s^-1 and 90 % of light saturation occurred at ca 500 μmol m^-2 s ^-1 PPFD. Conductance decreased strongly with increases in vapor pressure deficit above 10 hPa, while the temperature optimum was 22 °C at light saturation. Strong restrictions on maximum conductance at both leaf and stand levels were apparent below a soil moisture content of 16 volume percent. Although less strongly, conductance also decreased with initial drying of the upper soil layers and decreases in predawn water potential from -0.4 to -0.6 MPa. In this range of water potential change, xylem ABA increased to between 200 and 500 nmol L^-1. Thus, an immediate leaf-level reaction to the onset of summer weather conditions is observed, i.e. leaf conductance and water use decrease. We hypothesize that ABA functions as a key control on water balance, transmitting information about soil water status and endogenously modifying canopy response in order to budget water and avoid extensive cavitation damage in most years. Transpiration potential of the stand was reduced by thinning during autumn 1993 in approximate proportion to changes in leaf area index and sapwood area. Simultaneous observations of sapflow and conductance have allowed us to view the effects of leaf conductance on whole plant water use, while thinning revealed the effects of stand level phenomena on conductance regulation. (© Inra/Elsevier, Paris.)

Résumé - Contrôle environnemental et endogène de la conductance stomatique et du couvert dans une plantation de pins sylvestres. Des mesures de l'échange du gaz et de la conductance stomatique de l'eau, de la transpiration par deux méthodes de mesure du flux de sève, de l'humidité du sol et de l'extraction de l'eau du sol, du potentiel hydrique foliaire de base et de la concentration en acide absissique (ABA) dans l'aubier ont été réalisées au cours des étés 1993 et 1994 dans une plantation de pins sylvestres dans la plaine rhénane au sud-ouest de l'Allemagne, près du village de Hartheim. Les mesures périodiques de la conductance stomatique ont montré une valeur maximale de 280 mmol m^-2 s^-1 (13,6 mm s^-1). Le demi-maximum de la conductance stomatique était atteint pour un rayonnement de 40 μmol m^-2 s^-1 et la conductance était établie à 90 % du maximum lors d'une exposition à 500 μmol m^-2 s^-1. La conductance était diminuée rapidement dès que le déficit de saturation de l'air dépassait 10 hPa. L'optimum de la conductance était atteint pour une température de 22 °C, en condition de lumière saturante. Au-dessous d'une humidité volumique du sol de 16 %, la conductance foliaire ainsi que la conductance du couvert étaient fortement limitées. La conductance diminuait aussi, mais moins fort, pour un dessèchement initial des couches supérieures du sol, correspondant à une diminution de -0,4 à -0,6 MPa du potentiel hydrique foliaire de base. Dans les limites de cette variation du potentiel hydrique, la concentration de l'ABA dans l'aubier est passée de 200 à 500 nmol l ^-1. Ainsi, une réaction immédiate a pu être observée au niveau des feuilles au moment de l'installation des conditions estivales, c'est-à-dire une diminution de la conductance stomatique et de consommation en eau. Nous supposons que l'ABA occupe une position clé dans le bilan hydrique en transmettant des informations sur les conditions hydriques dans le sol et en modifiant la réponse du peuplement à ces conditions pour maintenir le budget d'eau, et pour protéger les arbres contre des dommages durables causés par cavitation. La transpiration potentielle du couvert a été diminuée par une éclaircie en automne 1993, approximativement proportionnellement aux modifications de la surface du bois d'aubier et de l'indice foliaire (LAI). Les mesures simultanées de flux de sève et de conductance nous ont permis d'examiner les effets de la conductance stomatique sur l'utilisation de l'eau à l'échelle de l'arbre, tandis que l'éclaircie révélait les effets des phénomènes à l'échelle du peuplement sur la régulation de la conductance stomatique. (© Inra/Elsevier, Paris.)

Key words: conductance / transpiration / abscisic acid / drought / Pinus sylvestris

Mots clés : conductance stomatique / transpiration / acide abscissique / sécheresse / pin sylvestre