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Effects of soil freezing on fine roots in a northern hardwood forest

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Abstract:

We reduced early winter snowpack in four experimental plots at the Hubbard Brook Experimental Forest in New Hamphire for 2 years to examine the mechanisms of root injury associated with soil freezing. Three lines of evidence suggested that direct cellular damage, rather than physical damage associated with frost heaving, was the principal mechanism of root injury: (i) decreases in root vitality were not greater on sites with more frost heaving, (ii) in situ freezing damage was confined to first- and second-order roots in the organic horizons rather than entire root systems, and (iii) tensile strength of fine roots was not significantly compromised by experimental stretching to simulate ice lens formation. Although significant differences in the intensity of soil freezing (depth, rate, and minimum temperature) were observed across the plots, no clear effects of soil freezing intensity on root injury were observed. Snow manipulation had no effect on mycorrhizal colonization of sugar maple (Acer saccharum Marsh.) roots. A significant increase in root growth was observed in the second summer after treatments, coincident with a significant pulse of soil nitrate leaching. Through their effects on fine roots, soil freezing events could play an important role in forest ecosystem dynamics in a changing climate.

Pendant 2 ans, nous avons réduit la couverture de neige au début de l’hiver dans quatre parcelles expérimentales à la forêt expérimentale de Hubbard Brook, au New Hampshire, pour étudier les mécanismes responsables des dommages aux racines causés par le gel dans le sol. Trois types d’indices ont indiqué que des dommages directs aux cellules, plutôt que des dommages physiques dus au soulèvement par la glace, étaient le principal mécanisme responsable des dommages aux racines: (i) la diminution de la vitalité des racines n’était pas plus grande dans les stations où le soulèvement par le gel était plus prononcé, (ii) les dommages in situ causés par le gel étaient limités aux racines de 1er et 2e ordres dans les horizons organiques plutôt qu’à l’ensemble du système racinaire et (iii) la résistance à la traction des racines fines n’était pas significativement compromise par un étirement expérimental pour simuler la formation de lentilles de glace. Bien que nous ayons observé des différences significatives dans l’intensité du gel dans le sol (profondeur, taux et température minimum) dans l’ensemble des parcelles, nous n’avons constaté aucun effet évident de l’intensité du gel dans le sol sur les dommages aux racines. La manipulation du couvert nival n’a eu aucun effet sur la colonisation des racines de l’érable à sucre (Acer saccharum Marsh.) par les mycorhizes. Une augmentation significative de la croissance des racines a été observée durant le deuxième été après les traitements. Cette augmentation coïncidait avec une poussée importante de lessivage du nitrate dans le sol. Par leurs effets sur les racines fines, les épisodes de gel dans le sol pourraient jouer un rôle important dans la dynamique des écosystèmes forestiers soumis aux changements climatiques.

Document Type: Research Article

Publication date: January 1, 2008

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nrc/cjfr/2008/00000038/00000001/art00010
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