Interakce funkčních vlastností indikujících využití vody a živin rostlinami s půdními vlastnostmi v primární sukcesi

• Název práce v češtině: Interakce funkčních vlastností indikujících využití vody a živin rostlinami s půdními vlastnostmi v primární sukcesi
• Název v anglickém jazyce: Interaction of plant water use and nutrient use efficiency traits with soil properties in primary succession
• Akademický rok vypsání: 2021/2022
• Typ práce: disertační práce
• Jazyk práce: čeština
• Ústav: Ústav pro životní prostředí (31-550)
• Vedoucí / školitel: RNDr. Mgr. Ondřej Mudrák, Ph.D.
• Řešitel: skrytý - zadáno a potvrzeno stud. odd.
• Datum přihlášení: 14.03.2022
• Datum zadání: 15.03.2022
• Datum potvrzení stud. oddělením: 15.03.2022
• Konzultanti: prof. Mgr. Ing. Jan Frouz, CSc.

Předběžná náplň práce

V primární sukcesi rostliny významně podporují tvorbu půdy a zároveň jsou vlastnostmi půdy ovlivňovány. Dostupnost vody a živin v půdě do značné míry určuje úspěch rostlin se uchytit a vytvořit životaschopnou populaci. Přičemž vliv vody i živin je úzce propojen, protože rostliny přijímají živiny rozpuštěné v půdní vodě. Rostlinné druhy se však liší svou schopností získávat půdní vodu a živiny, a reakce rostlin na sucho je druhově specifická. Ačkoli jsou parametry účinnosti půdních a rostlinných druhů při získávání a využívání živin z vody široce studovány, většinou nejsou zkoumány současně. Chybí informace o tom, jak jsou raná a pozdní rostlinná společenstva limitována vodou nebo živinami a jak tyto parametry ovlivňují střídání rostlinných druhů během primární sukcese. Pochopení těchto interakcí je zvláště důležité v krajině po těžbě, kde se formují společenstva na nevyvinutých půdách v průběhu klimatické změny.

Cílem práce je prozkoumat fyzikální a chemické vlastnosti půdy indikující dostupnost vody a živin a funkční vlastnosti rostlin indikující efektivitu využití vody na vnitrodruhové i mezidruhové úrovni.

Chceme ověřit následující hypotézy:
i) Vlastnosti indikující efektivitu využití vody rostlinami korelují s půdními vlastnostmi dostupnosti vody, tj. rostliny jsou schopny kompenzovat stres suchem v rámci vnitrodruhové variability svých vlastností.
ii) Rostliny s vyšší účinností využití vody jsou méně limitovány živinami.
iii) Typicky raně sukcesní druhy rostlin jsou odolnější vůči stresu ze sucha a nedostupnosti živin než pozdně sukcesní druhy.
iv) V průběhu delšího období sukcese dochází k větší plasticitě funkčních znaků rostlinných druhů.
v) Rostlinná společenstva tvořená druhy s vlastnostmi odolnými vůči suchu jsou v průběhu let stabilní, zatímco společenstva druhů s vlastnostmi citlivými na sucho vykazují větší meziroční výkyvy nebo sukcesní změny.

Hypotéza (i) bude testována pomocí terénních pozorování a experimentů. Vybereme soubor parametrů dostupnosti vody v půdě, jako je např. textura půdy, polní vodní kapacita, bod vadnutí atd. a obsah živin v půdě, jako je např. dostupný dusík a fosfor. Dále vybereme soubor funkčních vlastností rostlin, které ukazují účinnost využití vody, jako je obsah sušiny v listech nebo bod ztráty turgoru, a znaky účinnosti využití živin, jako je specifická listová plocha, obsah listového dusíku a listového fosforu. Dále vybereme lokality v různých fázích sukcese s kontrastními půdními vlastnostmi. Na těchto lokalitách budeme měřit jak vybrané půdní vlastnosti, tak funkční znaky rostlin. Budeme testovat, jak spolu tyto parametry rostlin a půdy korelují.

Hypotéza (ii) bude testována na stejném souboru dat jako hypotéza (i). Budeme korelovat funkční vlastnosti rostlin udávající účinnost využití živin a funkční znaky rostlin udávající účinnost využití vody. Korelace bude provedena na celém souboru dat, ale také pro každé sukcesní stadium zvlášť. Tím otestujeme, zda je hlavní trend způsoben rozdílnými strategiemi raně a pozdně sukcesních druhů, nebo je obecný v rámci každého sukcesního stadia.

Pro testování hypotézy (iii) vybereme typicky raně a pozdně sukcesní druhy rostlin, což bude provedeno na základě dostupné literatury, ale také na základě dostupných souborů dat o vegetaci. Porovnáme podíl půdních vlastností na variabilitě jednotlivých funkčních znaků rostlin, a to mezi druhy rané a pozdní primární sukcese. Otestujeme, jestli existuje korelace mezi příspěvkem půdních vlastností k variabilitě funkčních znaků a sukcesním stářím míst, kde se druh optimálně vyskytuje. Provedeme také květináčový experiment, ve kterém budeme manipulovat s půdními vlastnostmi a budeme testovat jejich vliv na ranně a pozdně sukcesní druhy.

K otestování hypotézy (iv) získáme z dostupných datových souborů rozpětí sukcesního stáří, po které se rostlinné druhy ve vegetaci vyskytují. Změříme jejich funkční vlastnosti v různých sukcesních stadiích a kvantifikujeme jejich vnitrodruhovou variabilitu. Oba tyto parametry budeme korelovat. Očekáváme, že druhy, které mají vyšší vnitrodruhovou variabilitu funkčních vlastností rostlin, se v sukcesi objevují delší dobu.

K otesotvání hypotézy (v) využijeme dlouhodobý soubor dat (v současné době 15 let) z vegetačního průzkumu prováděného na výsypkách Sokolovska. Kvantifikujeme meziroční změny pokryvnosti jednotlivých druhů rostlin a otestujeme, zda jsou tyto změny nižší u druhů se specifickými vlastnostmi, konkrétně s těmi, které mají vysokou efektivitu využití vody a jsou tak schopny snižovat stres ze sucha některých let.

Předběžná náplň práce v anglickém jazyce

In primary succession plants importantly support soil formation and simultaneously soil properties feedback on plants. The soil water availability and nutrient content is expected to be essential for plant establishment and performance. Both of these parameters are closely interconnected as plant accept nutrients dissolved in the soil water. However, plant species differ in their ability to extract soil water and nutrients and plant response to drought is thus species specific. Although the parameters of soil and plant species water nutrient and use efficiency are widely studied, they are mostly not examined simultaneously. There is lack of information how are early and late plant communities limited by water or nutrients and how are these parameters responsible for plant species turnover during the primary succession. Understanding of these interactions is particularly important in the post-mining landscapes where immature communities on undeveloped unfertile soils are threatened by climate change.

The aim of the thesis is to explore soil physical and chemical properties indicating water and nutrient availability and plant functional traits indicating the water use efficiency on both intraspecific and interspecific level.

We want to test following hypotheses:
i) Plant water use efficiency traits are correlated with soil properties of water availability, i.e. plants are able to compensate the drought stress within their intraspecific trait variability.
ii) Plants with higher water use efficiency are less limited by nutrients.
iii) Typically early successional plant species are more resistant to drought stress and nutrient unavailability than late successional species.
iv) Plant species more plastic in their functional traits occurs over the longer period of the succession.
v) Plant communities formed by species with drought resistant traits are stable over the years while communities of species with drought sensitive traits shows higher interannual fluctuations or successional changes.

Hypothesis (i) will be tested as set of field observations and experiments. We will select a set of parameters of soil water availability like e.g. soil texture, soil water holding capacity, wilting point, etc. and soil nutrient content like available nitrogen and phosphorus. Further we will select set of plant functional traits indicating water use efficiency like leaf dry matter content and turgor loss point and nutrient use efficiency traits like specific leaf area, leaf nitrogen content and leaf phosphorus content. We will select sites of various stages of succession with contrasting soil properties. On those sites we will measure both, selected soil properties and plant functional traits. We will test how are those plant and soil parameters correlated.

Hypothesis (ii) will be tested on the same dataset as the hypothesis (i). We will take plant functional traits indicating nutrient use efficiency and plant functional traits indicating water use efficiency and we will correlate them. Correlation will be conducted on whole dataset, but also for each successional stage separately to test whether the main trend is driven by different strategies of early and late successional species or is general within each successional stage.

To test the hypothesis (iii) we will select typically early and late successional plant species, which will be done based on available literature but also on available datasets of vegetation. We will compare the contribution of soil properties to the variability in each of the plant functional traits, between early-primary succession and late-primary succession species. We will perform correlation analysis to verify if there is correlation between the contribution soil properties to functional trait variability and the age of succession when the plant species occurs in succession. We will also perform pot experiment where we will manipulate soil properties and we will test its effect on early and late successional species.

To test the hypothesis (iv) we will acquire from available datasets the span of the successional age, for which plant species occur in the vegetation. We will measure their functional traits in different stages of succession and we will quantify their intraspecific trait variability. We will correlate both of those parameters. We expect that the species which have higher intraspecific trait variability in plant functional traits appears in the succession for longer period.

To test the hypothesis (v) we will take advantage of long-term dataset (nowadays 15 years) of vegetation survey conducted on spoil heaps of Sokolov region. We will quantify the annual changes of cover of individual plant species and we will test whether those changes are lower for species with specific traits, namely with those which have high water use efficiency and thus are able to reduce drought stress of some years.