Water relations and hydraulic architecture in Cerrado trees: adjustments to seasonal changes in water availability and evaporative demand

Abstract

We determined adjustments in physiology and morphology that allow Neotropical savanna trees from central Brazil (Cerrado) to avoid water deficits and to maintain a nearly constant internal water balance despite seasonal changes in precipitation and air saturation deficit (D). Precipitation in the study area is highly seasonal with about five nearly rainless months during which D is two fold higher compared to wet season values. As a consequence of the seasonal fluctuations in rainfall and D, soil water potential changes substantially in the upper 100 cm of soil, but remains nearly constant below 2 m depth. Hydraulic architecture and water relations traits of Cerrado trees adjusted during the dry season to prevent increasing water deficits and insure homeostasis in minimum leaf water potential ΨL and in total daily water loss per plant (isohydry). The isohydric behavior of Cerrado trees was the result of a decrease in total leaf surface area per tree, a strong stomatal control of evaporative losses, an increase in leaf-specific hydraulic conductivity and leaf hydraulic conductance and an increase in the amount of water withdrawn from internal stem storage, during the dry season. Water transport efficiency increased in the same proportion in leaves and terminal stems during the dry season. All of these seasonal adjustments were important for maintaining ΨL above critical thresholds, which reduces the rate of embolism formation in stems and help to avoid turgor loss in leaf tissues still during the dry season. These adjustments allow the stems of most Cerrado woody species to operate far from the point of catastrophic dysfunction for cavitation, while leaves operate close to it and experience embolism on a daily basis, especially during the dry season.

O objetivo deste estudo foi determinar os ajustamentos na morfologia e fisiologia que permitem árvores das savanas neotropicais do Brasil Central (Cerrado) de evitar déficits hídricos e de manter um balanço hídrico interno praticamente constante apesar das variações sazonais da precipitação e no déficit de saturação do ar (D). A precipitação na área de estudo é fortemente sazonal, com cerca de cinco meses praticamente sem chuva durante os quais D é duas vezes maior aos valores medidos na época chuvosa. Como conseqüência da flutuação sazonal das chuvas e de D, o potencial hídrico do solo muda substancialmente, nos primeiros 100 cm do solo, mas permanece quase constante abaixo de 2 m de profundidade. A arquitetura hidráulica e os parâmetros relacionados a relações hídricas das árvores do Cerrado se ajustaram durante a estação seca para evitar o déficit hídrico crescente e assegurar a homeostase nos valores mínimos de potencial hídrico foliar ψL e na perda total diária de água pela planta (iso-hidria). O comportamento iso-hídrico das árvores do Cerrado foi o resultado de uma diminuição da superfície foliar total por árvore, um forte controle estomático das perdas por evaporação, um aumento na condutividade hidráulica específica da folha e na condutância hidráulica foliar e um aumento da quantidade de águas retirada dos reservatórios internos do caule, durante a estação seca. A eficiência no transporte de água aumentou, nas mesmas proporções, nas folhas e nos ramos terminais durante a estação seca. Todos estes ajustamentos sazonais foram importantes para a manutenção de ψL acima de limiares críticos, com isto contribuindo para uma redução na formação de embolismos nos ramos e ajudando a evitar a perda de turgor em tecidos foliares durante a época seca. Esses ajustes permitem que os ramos das espécies lenhosas do Cerrado operem bem distanciados do ponto de disfunção catastrófica para a cavitação, enquanto as folhas operam próximas e sofrem embolismos em uma base diária, especialmente durante a estação seca.