Leaf traits and photosynthetic parameters of saplings and adult trees of co-existing species in a temperate broad-leaved forest

In Central European forestry the establishment of broad-leaved mixed forests is attaining increasing importance, but little information exists about gas exchange characteristics of some of the tree species involved, which are less abundant today. In an old-growth forest in Central Germany (Hainich, Thuringia), (i) I compared morphological and chemical leaf traits that are indicative of leaf gas exchange characteristics among eight co-existing species, and (ii) analysed photosynthetic parameters of saplings and adult trees (lower and upper canopy level) in four of these species (Acer pseudoplatanus L., Carpinus betulus L., Fraxinus excelsior L. and Tilia platyphyllos Scop.).Leaves from the upper canopy in the eight species studied varied significantly in their specific leaf area (12.9–19.4 m² kg⁻¹), stomatal density (125–313 stomata mm⁻²), leaf nitrogen concentration (95–157 mmol N m⁻²) and δ¹³C content (–27.81 to –25.85‰). F. excelsior and C. betulus were largely contrasting species, which suggests that the species, which were studied in more detail, include the widest difference in leaf gas exchange among the co-existing species. The saplings of the four selected species exhibited shade acclimated leaves with net photosynthesis rates at saturating irradiance (A_max) between 5.0 and 6.4 μmol m⁻² s⁻¹. In adult trees A_max of fully sunlit leaves was more variable and ranged from 10.5 (C. betulus) to 16.3 μmol m⁻² s⁻¹ (F. excelsior). However, less negative δ¹³C values in F. excelsior sun leaves point to a strong limitation in gas exchange. In the lower canopy of adult trees A_max of F. excelsior (12.0 μmol m⁻² s⁻¹) was also greater than that of A. pseudoplatanus, C. betulus and T. platyphyllos (5.0–5.6 μmol m⁻² s⁻¹). This can be explained by the small leaf area and the absence of shade leaves in mature F. excelsior trees. Thus, a considerable variation in leaf traits and gas exchange was found among the co-existing tree species. The results suggest that species-specific characteristics increase the spatial heterogeneity of canopy gas exchange and should be taken into account in the interpretation and prediction of gas flux from mixed stands.In der Forstwirtschaft Mitteleuropas gewinnt die Begründung von Laubmischwäldern zunehmend an Bedeutung, aber über Eigenschaften im Gasaustausch einiger beteiligter Baumarten, die heute nicht so häufig sind, ist wenig bekannt. In einem Altbestand in Mitteldeutschland (Hainich, Thüringen) habe ich (i) morphologische und chemische Eigenschaften von Sonnenblättern, die Hinweise auf Charakteristika im Blattgaswechsel geben, an acht koexistierenden Baumarten untersucht, und (ii) Photosyntheseparameter von juvenilen und adulten Bäumen (unteres und oberes Kronenniveau) von vier dieser Arten (Acer pseudoplatanus L., Carpinus betulus L., Fraxinus excelsior L. and Tilia platyphyllos Scop.) erhoben.Blätter aus dem oberen Kronenraum der acht untersuchten Arten variierten signifikant in der spezifischen Blattfläche (12.9–19.4 m² kg⁻¹), der Stomatadichte (125–313 Stomata mm⁻²), dem Blattstickstoffgehalt (95–157 mmol N m⁻²) und den δ¹³C-Werten (–27.81 bis –25.85‰). In diesem Kollektiv zeigten F. excelsior und C. betulus groβe Unterschiede, was darauf hindeutet, dass die Arten, die genauer untersucht wurden, die Spannweite an Gaswechseleigenschaften unter den koexistierenden Baumarten umfassen. Die Jungpflanzen der vier ausgewählten Arten besaßen Schattenblätter, deren Netto-Photosyntheserate bei hoher Lichtintensität (A_max) zwischen 5.0 and 6.4 μmol m⁻² s⁻¹ variierte. An Sonnenblättern von Altbäumen war A_max variabler und lag zwischen 10.5 (C. betulus) und 16.3 μmol m⁻² s⁻¹ (F. excelsior). Allerdings weisen hohe δ¹³C-Werte in Sonnenblättern von F. excelsior auf eine starke Limitierung des Gasaustauschs hin. Auch in der unteren Krone der Altbäume war A_max von F. excelsior (12.0 μmol m⁻² s⁻¹) höher als A_max von A. pseudoplatanus, C. betulus und T. platyphyllos (5.0–5.6 μmol m⁻² s⁻¹). Dies kann durch die geringe Blattfläche und die Abwesenheit von Schattenblättern in der Krone adulter Bäume von F. excelsior erklärt werden. Zwischen den koexistierenden Baumarten wurde somit in Bezug auf Blatteigenschaften und Photosyntheseparameter eine erhebliche Variation festgestellt. Die Ergebnisse legen nahe, dass artspezifische Eigenschaften die räumliche Heterogenität des Gaswechsels im Kronenraum erhöhen und bei der Interpretation und Vorhersage von Gasflüssen über Mischbeständen berücksichtigt werden sollten.