Ann. For. Sci. 61 (2004) 1-8
DOI: 10.1051/forest:2003079

Xylem acoustic signals from mature Pinus sylvestris during an extended drought

Michael P. Perks^{a, b}, James Irvine^a and John Grace<sup>a

a</sup>  Institute of Ecology and Resource Management, University of Edinburgh, Darwin Building, Mayfield Road, Edinburgh EH9 3JU, UK
^b  Current address: Forest Research, Northern Research Station, Bush Estate, Roslin, Midlothian, Scotland, EH25 9SY, UK

(Received 18 july 2002; accepted 17 December 2002)

Abstract - Mature Scots pine (Pinus sylvestris L.) were subjected to an 11 month imposed soil drought, from November 1994. Control plots received rainfall plus irrigation. The extent of cavitation in the xylem of branches and boles was compared using ultrasonic acoustic emission (UAE) measurements. Supporting measurements of the relative water content (R_w) of the bole and shoot were recorded. Acoustic emissions were detected in both treatments. An effect of water-stress, in both boles and branches, at the height of the drought, was noted. Differences in vulnerability were found and suggest a reduced vulnerability to cavitation of remaining functional conduits, after loss of the most vulnerable conduits, in the water-stressed trees. Bole R_w was lower than branch R_w. In 1-year-old shoots of droughted trees a significant increase in xylem embolism was found. Seasonal changes in shoot R_w were interpreted as the occurrence and recovery (refilling) of emboli in xylem tissues: an active role of precipitation is hypothesised. It was estimated that 15% of tracheids were cavitated without affecting above-ground hydraulic resistances. It is suggested that runaway cavitation was avoided through stomatal closure maintaining leaf water potential (indicative of xylem tension) below the cavitation threshold, and thereby little effect of drought was evident in above ground tissues.

Résumé - Signaux acoustiques du xylem chez des Pinus sylvestris matures soumis à une sécheresse prolongée. Des pins sylvestres matures (Pinus sylvestris) ont été soumis à partir de novembre 1994 et pendant 11 mois à une sécheresse artificielle du sol. Des placeaux témoins ont bénéficié de la pluie et d'un supplément d'eau sous forme d'irrigation. On a comparé l'importance de la cavitation dans le xylème des branches et des fûts par des mesures d'émission acoustique ultrasonique (UAE). On a également effectué des mesures de contenu relatif d'eau (Rw) dans les fûts et les branches. Les émissions acoustiques ont été détectées dans les deux traitements. L'effet du stress hydrique a été noté sur branches et fûts au stade du pic de sécheresse. Sur les arbres soumis à stress hydrique, on a mis en évidence des différences de vulnérabilité à la cavitation ; les vaisseaux encore fonctionnels apparaissent moins vulnérables après la perte des plus vulnérables. Le Rw des troncs était inférieur à celui des branches. On a constaté une augmentation du phénomène d'embolie dans les pousses de 1 an des arbres soumis à la sécheresse. Les changements saisonniers de Rw des pousses ont été interprétés comme étant une conséquence du bon rétablissement du remplissage des vaisseaux des tissus du xylème frappé d'embolie. L'hypothèse d'un rôle actif des précipitations a été avancée. On a estimé que le phénomène de cavitation a affecté 15 % des trachéides sans que les résistances hydrauliques dans les parties aériennes soient affectées. Il est suggéré que la cavitation généralisée était évitée grâce à la fermeture des stomates permettant de maintenir le potentiel hydrique des feuilles (indicateur de la tension du xylème) au dessous du seuil de cavitation, avec comme conséquence un faible effet de la sécheresse sur les tissus situés au dessous du sol.

Key words: drought / Pinus sylvestris (Scots pine) / time domain reflectometry / ultrasonic acoustic emissions / xylem cavitation

Mots clés : Pinus sylvestris (pin sylvestre) / émissions acoustiques ultrasoniques / cavitation du xylem / TDR

Corresponding author: Michael P. Perks mike.perks@forestry.gsi.gov.uk

© INRA, EDP Sciences 2004