Towards continuous stem water content and sap flux density monitoring: IoT-based solution for detecting changes in stem water dynamics

Taking advantage of novel IoT technologies, a new multifunctional device, the “TreeTalker”, was developed to monitor real-time ecophysical and biological parameters of individual trees, as well as climatic variables related to their surrounding environment, principally, air temperature and air relative humidity. Here, IoT applied to plant ecophysiology and hydrology aims to unravel the vulnerability of trees to climatic stress via a single tree assessment at costs that enable massive deployment. We present the performance of the TreeTalker to elucidate the functional relation between the stem water content in trees and respective internal/external (stem hydraulic activity/abiotic) drivers. Continuous stem water content records are provided by an in-house-designed capacitance sensor, hosted in the reference probe of the TreeTalker sap flow measuring system, based on the transient thermal dissipation (TTD) method. In order to demonstrate the capability of the TreeTalker, a three-phase experimental process was performed including (1) sensor sensitivity analysis, (2) sensor calibration, and (3) long-term field data monitoring. A negative linear correlation was demonstrated under temperature sensitivity analysis, and for calibration, multiple linear regression was applied on harvested field samples, explaining the relationship between the sample volumetric water content and the sensor output signal. Furthermore, in a field scenario, TreeTalkers were mounted on adult Fagus sylvatica L. and Quercus petraea L. trees, from June 2020 to October 2021, in a beech-dominated forest near Marburg, Germany, where they continuously monitored sap flux density and stem volumetric water content (stem VWC). The results show that the range of stem VWC registered is highly influenced by the seasonal variability of climatic conditions. Depending on tree characteristics, edaphic and microclimatic conditions, variations in stem VWC and reactions to atmospheric events occurred. Low sapwood water storage occurs in response to drought, which illustrates the high dependency of trees on stem VWC under water stress. Consistent daily variations in stem VWC were also clearly detectable. Stem VWC constitutes a significant portion of daily transpiration (using TreeTalkers, up to 4% for the beech forest in our experimental site). The diurnal–nocturnal pattern of stem VWC and sap flow revealed an inverse relationship. Such a finding, still under investigation, may be explained by the importance of water recharge during the night, likely due to sapwood volume changes and lateral water distribution rather than by a vertical flow rate. Overall, TreeTalker demonstrated the potential of autonomous devices for monitoring sap density and relative stem VWC in the field of plant ecophysiology and hydrolog

Climate Change Impairs Nitrogen Cycling in European Beech Forests

European beech forests growing on marginal calcareous soils have been proposed to be vulnerable to decreased soil water availability. This could result in a large-scale loss of ecological services and economical value in a changing climate. In order to evaluate the potential consequences of this drought-sensitivity, we investigated potential species range shifts for European beech forests on calcareous soil in the 21st century by statistical species range distribution modelling for present day and projected future climate conditions. We found a dramatic decline by 78% until 2080. Still the physiological or biogeochemical mechanisms underlying the drought sensitivity of European beech are largely unknown. Drought sensitivity of beech is commonly attributed to plant physiological constraints. Furthermore, it has also been proposed that reduced soil water availability could promote nitrogen (N) limitation of European beech due to impaired microbial N cycling in soil, but this hypothesis has not yet been tested. Hence we investigated the influence of simulated climate change (increased temperatures, reduced soil water availability) on soil gross microbial N turnover and plant N uptake in the beech-soil interface of a typical mountainous beech forest stocking on calcareous soil in SW Germany. For this purpose, triple 15N isotope labelling of intact beech seedling-soil-microbe systems was combined with a space-for-time climate change experiment. We found that nitrate was the dominant N source for beech natural regeneration. Reduced soil water content caused a persistent decline of ammonia oxidizing bacteria and therefore, a massive attenuation of gross nitrification rates and nitrate availability in the soil. Consequently, nitrate and total N uptake of beech seedlings were strongly reduced so that impaired growth of beech seedlings was observed already after one year of exposure to simulated climatic change. We conclude that the N cycle in this ecosystem and here specifically nitrification is vulnerable to reduced water availability, which can directly lead to nutritional limitations of beech seedlings. This tight link between reduced water availability, drought stress for nitrifiers, decreased gross nitrification rates and nitrate availability and finally nitrate uptake by beech seedlings could represent the Achilles’ heel for beech under climate change stresses

Function of mycorrhiza in the competition for nitrogen in calcareous beech forests

Die Buche (Fagus sylvatica L.) ist sowohl in ökonomischer als auch in ökologischer Hinsicht in Mitteleuropa eine sehr wichtige Baumart. Häufig sind Buchenwälder auf Böden anzutreffen, auf denen Stickstoff das limitierende Nährelement ist. Auf solchen Böden konkurrieren deshalb Buchen, Ektomykorrhizapilze und Bodenbakterien um den verfügbaren Stickstoff. Der prognostizierte Klimawandel mit steigenden Temperaturen, Trockenperioden und Starkregenereignissen wird den Stickstoffkreislauf und die Konkurrenzverhältnisse beeinflussen, da sich zwei der wichtigsten Bodenparameter, Bodenfeuchte und Bodentemperatur, verändern werden. In diesen Parameter unterscheiden sich auch die beiden Versuchsflächen in Baden-Württemberg in der Nähe von Tuttlingen, die für die Versuche dieser Arbeit ausgewählt wurden. Die Flächen befinden sich gegenüberliegend in einem Tal und sind auf der einen Seite NO bez. NW exponiert und auf der anderen Seite SW exponiert. Der SW-Hang weist im Vergleich zu den nördlich exponierten Hängen eine erhöhte Bodentemperatur und eine verminderte Bodenfeuchte auf und kann damit als Modellstandort für das prognostizierte zukünftige Klima gelten. Wie die Buche mit den erwarteten klimatischen Änderungen umgehen wird, wird unter anderem auch von der Reaktion der Ektomykorrhizapilze abhängen. Diese spielen bei der Stickstoffaufnahme der Buchen eine entscheidende Rolle, da die Wurzelspitzen der Buche in natürlichen Ökosystemen praktisch vollständig mit Ektomykorrhizapilzen kolonisiert sind. Um die komplex zusammengesetzten Mykorrhizagesellschaften an Buchen charakterisieren und in Bezug auf ihre Funktion analysieren zu können, sind Informationen über die Morphologie und Anatomie der einzelnen Pilzarten notwendig. Selbst in Mitteleuropa fehlen aber für einen Großteil der Ektomykorrhizen exakte wissenschaftliche Beschreibungen. Daher wurde exemplarisch ein mykorrhizaler Morphotyp, der auf den Tuttlinger Versuchsflächen häufig vorkommt, morphologisch und anatomisch beschrieben und gezeichnet. Wegen seiner dicht mit langen Cystiden besetzten Manteloberfläche wird er dem „Short distance“-Explorationstyp zugeordnet. Besonders auffällig sind die drei bis sechsfachen Verzweigungspunkten der Cystiden, die charakteristisch verdickt sind und denen die Mykorrhiza ihren provisorischen Namen „Fagirhiza inflata“ verdankt. Die aufgrund der anatomischen Merkmale und der dextrinoiden Reaktion von Mantel und Cystiden mit Melzers Reagenz angenommene Zugehörigkeit zur Gattung Sebacina wurde durch die ITS-Sequenzierung bestätigt. Bisher war unklar, ob die Stickstoffversorgung von Buchen unter gegebenen Bedingungen von den Bodenmikroben, den Mykorrhizapilzen oder der Herkunft der Bäume abhängt. In einem Experiment sollte untersucht werden, ob und wie sich die unterschiedliche Artenzusammensetzung von Mykorrhizagesellschaften auf die Stickstoffakkumulation in den mykorrhizierten Wurzelspitzen und den Stickstofftransfer zu den Pflanzen auswirkt. Es wurden junge, genetisch ähnliche Buchen mit ihren assoziierten Mykorrhiza¬gesellschaften aus Tuttlingen von einem NO-Hang und einem SW-Hang in einen homogenen Boden transferiert und unter gleichen klimatischen Bedingungen mit 13C und 15N markiert. Die geringe mikrobielle Biomasse im Substrat führte dazu, dass die Konkurrenz um den Stickstoff mit Bakterien stark vermindert wurde. Die nicht mykorrhizierten Wurzelspitzen der NO- und SW-Buchen akkumulierten unter diesen Bedingungen das 15N gleich stark. Im Gegenteil dazu akkumulierten die mykorrhizierten Wurzelspitzen der NW-Buchen das 15N stark verzögert im Vergleich zu den mykorrhizierten Wurzelspitzen der SW-Buchen. Korrespondierend dazu dauerte bei den NO-Buchen der Transfer des 15N zu den Feinwurzeln und Blättern länger und erfolgte in niedrigeren Raten als bei den SW-Buchen. Daraus folgt, dass die Mykorrhizagesellschaften den N-Transport zur Pflanze kontrollierten. Außerdem zeigen diese Ergebnisse, dass die Mykorrhizapilze, die sich an trockene und warme Bedingungen angepasst haben, die Leistungsfähigkeit von den an moderate Bedingungen angepassten Mykorrhizapilzen in Bezug auf die Akkumulation von Stickstoff sogar übertreffen, wenn die umweltbedingten Einschränkungen wegfallen. Die Ergebnisse legen nahe, dass die Zusammensetzung der Mykorrhizagesellschaften entscheidend für die Zukunftsfähigkeit der Buchenwälder ist. Um die Auswirkungen des prognostizierten Klimawandels (erhöhte Temperatur und niedrigere Bodenfeuchte) auf die Stickstoffversorgung von Buchen abschätzen zu können, wurde Buchennaturverjüngung mit umgebendem Boden (Mesokosmen) in Tuttlingen von dem NW-Hang auf den gegenüberliegenden SW-Hang ("Klimawandel" Behandlung) oder von dem NW auf den NW Hang (Kontrolle) transferiert. Die Buchen wurden für ein Jahr unter diesen Bedingungen kultiviert. In der nachfolgenden Vegetationsperiode wurde nach Injizieren von 15N markierten Stickstoffformen (Glutamin, Ammonium, Nitrat) in den Boden an mehreren Zeitpunkten geerntet. Anhand der 15N-Aufnahmeraten stellte sich Nitrat als die dominierende Stickstoffquelle für die Buchen heraus. Die klimatischen Bedingungen auf der SW-Seite führten zu einem Einbruch bei der Nitratbereitstellung durch die Bodenbakterien und damit zu Nitratmangel und nachfolgend zu einer Reduktion der Biomasse der Buchennaturverjüngung. In den mykorrhizierten Wurzelspitzen hingegen zeigte sich durchgängig, dass 15N aus Ammonium am stärksten akkumuliert wurde, gefolgt von Nitrat und Glutamin. In den meisten Fällen wurde auf der SW-Seite signifikant oder tendenziell weniger 15N akkumuliert als auf der NW-Seite. Intaktes Glutamin wurde weder in den mykorrhizierten Wurzelspitzen noch in den Buchen festgestellt, was auf eine sehr geringe Bedeutung von organischen Stickstoffformen für die Stickstoffversorgung der Buchen schließen lässt. Die Ergebnisse lassen befürchten, dass es in Zukunft große Probleme bei der Stickstoffversorgung der Buche geben wird. Vermutlich sind diese Restriktionen in der Stickstoffversorgung eine der Ursache für die prognostizierte erhebliche Reduktion der Kalkbuchenwälder bis zum Ende des 21. Jahrhunderts

Abhandlung über die Wärme der Erde in Basel

Wilhelm Martin Leberecht de Wett

Kiri E. F. K. Rosenmüller'ile

Wette, Wilhelm Martin Leberecht de, 1780-1849, saksa teoloogRosenmüller, Ernst Friedrich Karl, 1768-1835, saksa teoloog ja orientalistTänab adressaati talle saadetud dissertatsiooni eest. Palub oma Archäologie kahes peatükis teha juurdekirjutusi

Kurze Erklärung des Briefes an die Römer

Digitized copy of print pamphlet. Electronic PDF document. 89 pages