CONFOR - Ecohydrological connectivity between trees and the capillary zone - a key driver for drought resilience of European forests? (2022-2025)

[EN] Hydrologic droughts have become increasingly common in the last 20 years in central Europe. This trend is projected to intensify in the future, leading to serious consequences for forest ecosystems. Already, the ongoing (until 2021) drought was deemed one of the major causes for the worsening condition of forests in central Europe. A commonly accepted hypothesis is that deep rooted trees are able to better withstand drought events, however, our process-based understanding of deep water sources and their use has been restricted by limited accessibility. Deep soil water (> 1 m) is mostly neglected or simplified by plant physiologists and ecohydrologists. We plan to distinguish among deep-rooted trees that I) directly tap into groundwater, II) connect to the capillary zone residing above the local water table, and III) those with no direct connection to the groundwater or capillary zone, but which still possess a deep root system. The central aim of our project is to quantify spatiotemporal dynamics and feedbacks between precipitation infiltration from above and groundwater replenishment and capillary rise from below. We will explore water uptake by typical European forest trees (beech, oak, spruce) with distinct water-use strategies and rooting depths. We hypothesize that maintaining connectivity to the capillary zone is for some species a critical component of drought tolerance. However, the quantitative impact of tree connectivity to the capillary zone will depend largely on I) climate and geomorphological conditions that define spatiotemporal dynamics of capillary zone connectivity (drought duration, capillary zone buffer capacity) and II) species-specific drought adaptations (rooting depths, adaptive root growth, degree of isohydricity). To fully understand the impact of tree connectivity to the capillary zone on tree and forest health as well as hydrological cycling we aim to use a combination of ecohydrological, plant physiological, geophysical, and model-based approaches. A particular focus will be on a novel continuous stable water isotope observation platform creating a dataset with high spatiotemporal resolution that includes soil, xylem, and atmospheric water vapor complemented by tree ring oxygen isotopic and phloem carbon isotopic data. This combination will allow us to draw conclusions not only on current tree connectivity of different tree species, but also its impacts on tree-ring isotopic composition, allowing the analysis of historic drought events. Finally, the isotope enabled SVAT model MuSICA will be used to predict the relationship between deep-water uptake and tree health over the course of extremely dry, dry and normal years.

[DE]  In den vergangen 20 Jahren kam es in Mitteleuropa zu einer Häufung hydrologischer Dürreereignisse. Klimaprognosen sagen vorher, dass sich dieser Trend in Zukunft weiter verstärken wird, was schwerwiegende Folgen für die Waldökosysteme hat und weiterhin haben wird. Bereits jetzt gelten die im Vergleich zu Mittelwerten extrem trockenen vergangenen Jahre als eine der Hauptursachen für den sich systematisch verschlechternden Zustand der Wälder in Mitteleuropa. Eine allgemein akzeptierte Annahme ist, dass tief verwurzelte Bäume solche Dürreereignissen besser standhalten können. Das prozessbasierte Verständnis in Bezug auf die Nutzung von tief liegenden Wasserressourcen und deren Nutzung durch Vegetation ist jedoch stark limitiert. Tiefes Bodenwasser (> 1 m) wird von Pflanzenphysiologen und Ökohydrologen häufig vernachlässigt oder vereinfacht betrachtet. Tatsächlich besteht die Bodenzone unterhalb einem Meter Bodentiefe jedoch aus drei Komponenten, die sich im Bezug auf bodenhydraulische und -physische Charakteristika sowie der Neubildungsmechanismen deutlich unterscheiden: der ungesättigten Zone, die lediglich aus Infiltration (aus Niederschlag oder Wasseraufstau) von oberen Bodenschichten gespeist wird; der nahezu gesättigten Kapillarzone, die sowohl von Infiltration als auch kapillarem Aufstieg gefüllt wird; und dem Grundwasser, das aus Infiltration oder lateralem Zufluss gespeist wird. In diesem Projekt planen wir, diese Wasserressourcen in der tiefen ungesättigten Zone differenziert zu betrachten und deren Verbindung zur Vegetation zu quantifizieren. Wir planen, zwischen tief wurzelnden Bäumen zu unterscheiden, die I) direkt ins Grundwasser zapfen, II) an die Kapillarzone oberhalb des lokalen Grundwasserspiegels geschlossen sind und III) solcher, die keine direkte Verbindung zum Grundwasser oder der Kapillarzone haben, aber ein tiefes Wurzelsystem zur Nutzung der in der ungesättigten Zone gespeicherten Wassers besitzen.

Zentrales Ziel des Projektes ist es daher, raumzeitliche Dynamiken und Rückkopplungen zwischen Niederschlagsinfiltration von ‚oben‘ und Grundwasserneubildung sowie kapillarem Aufstieg von ‚unten‘ zu quantifizieren. Wir werden die Wasseraufnahme von typischen europäischen Waldbäumen (Buche, Eiche, Fichte) mit unterschiedlichen Wassernutzungsstrategien und Wurzeltiefen untersuchen. Hierfür stellen wir die Hypothese auf, dass die Aufrechterhaltung der Konnektivität zur Kapillarzone für einige Arten eine kritische Komponente der Trockenheitstoleranz ist. Der Grad der der Konnektivität zwischen Vegetation und Kapillarzone hängt dabei stark von I) klimatischen und geomorphologischen Bedingungen, die die raumzeitliche Dynamik dieser Verbindung definieren (Dürredauer, Pufferkapazität der Kapillarzone) und II) Artenspezifischen Dürreanpassungen (Wurzeltiefen, adaptives Wurzelwachstum, Grad der Isohydrie) ab. Um die Auswirkungen der Vegetationskonnektivität zur Kapillarzone auf die Baum- und Waldgesundheit sowie den Wasserkreislauf vollständig zu verstehen, möchten wir eine Kombination aus ökohydrologischen, pflanzenphysiologischen, geophysikalischen und modellbasierten Ansätzen verwenden. Ein besonderer Schwerpunkt wird auf dem Einsatz einer neuartigen Messmethodik zur kontinuierlichen Erfassung stabiler Wasserisotope liegen. Ziel ist es, einen Datensatz mit hoher räumlich-zeitlicher Auflösung zu generieren, der Boden, Xylem und atmosphärischen Wasserdampf umfasst, und durch Sauerstoffisotope- und Phloem-Kohlenstoffisotopendaten von Baumringen ergänzt wird. Die Kombination dieser Informationen wird es uns ermöglichen, nicht nur Rückschlüsse auf die aktuelle Konnektivität verschiedener Baumarten zu verschiedenen tief liegenden Wasserpools, sondern auch deren Auswirkungen auf die Isotopenzusammensetzung von Jahrringen zu ziehen, was völlig neuartige Möglichkeiten zur Analyse historischer Dürreereignisse ermöglicht. Anschließend wird das isotopenfähige SVAT-Modell MuSICA mit dem erhobenen ganzheitlichen Datensatz parametrisiert, um den Zusammenhang zwischen Tiefenwasseraufnahme und der Baumgesundheit unter verschiedenen Szenarien (extremer trockener, trockener, normaler Jahre) vorherzusagen.

Working Packages
Working Packages

Monitoring Setup
Monitoring Setup

Preliminary results from the geophysical ERT survey
Preliminary results from the geophysical ERT survey

Isodrones
Isodrones
A research initiative dedicated to developing novel and innovative methods to investigate different aspects of the water cycle.