Juurte ja hüüfide kasvudünaamika kõdusoometsas

Abstract

Peenjuured (< 2 mm) ja seenehüüfid on ökosüsteemi maa-aluse aineringete hinnangute ja nendest arusaamise kontekstis võtmetähtsusega. Nii okaspuude kui alustaimestiku peenjuurte kui ka seenehüüfide kasv on sesoonne ning temperatuuritundlik. Ökosüsteemi maa-aluse osa kasvudünaamikat tervikuna on väga vähe uuritud ning ööpäevane kasvudünaamika on teadmata. Käesoleva töö eesmärk oli kaasaegsete meetodite ja suure mõõtmissagedusega hinnata juurte ja seenehüüfide kasvudünaamikat kõdusoometsa mullas. Töö uurimisküsimused ja hüpoteesid olid seotud nii esmakordsete hinnangute ja kirjeldustega kui indikaatortunnuste leidmisega – püstitatud hüpoteesid eeldasid, et kasvujuurte kasvukiirus sõltub juure suurusest ja mullatemperatuurist; puittaimede kasvujuurte ja seenehüüfide kasvul on ööpäevane rütm; mullatemperatuuri langus alla 9°C aeglustab puittaimede ja seenehüüfide kasvu, mis lõpeb mullatemperatuuril 2–5°C; ning et seenehüüfide käive on kõrgem soojemas mullas. Metsamulda maetud skannerite abil hinnati juurte ja seenehüüfide sesoonset ja ööpäevast kasvudünaamikat. Skannerid tegid automaatselt pilte igal täistunnil juuli algusest 2024 kuni märtsi keskpaigani 2025. Kasvudünaamikat analüüsiti ning seostati ennekõike mullatemperatuuriga. Selgus, et kasvujuurte kasvukiirus sõltub mullatemperatuurist, kuid seost kasvukiiruse ja juure keskmise diameetri ega kogupikkuse vahel ei leitud. Juurte kasvukiirus oli märgatavalt madalam alla 9°C mullatemperatuuril ja kasv lõppes temperatuurivahemikus 4,6–12,6°C, mis olid oodatust kõrgem ja näitab juurte individuaalse kasvudünaamika suurt varieeruvust. Üllatava tulemusena fikseeriti alustaimestiku peenjuurte talvine kasv, mis on vastuolus eeldusega, et juured on talvel enamasti puhkeolekus. Tulemus mõjutab ökosüsteemide süsinikuringe modelleerimist. Seenehüüfide kasvudünaamika, produktsioon, kadu ja käive aeglustusid, kui mullatemperatuur langes alla 9°C, samas kui soojemas mullas oli hüüfide tootlikkus pikkusühiku kohta oluliselt suurem. Nii puittaimede kasvujuurtel kui seenehüüfidel esines ööpäevane kasvudünaamika. Kasvujuured kasvasid kõige aeglasemalt pärastlõunal, seenehüüfid kasvasid seevastu kõige aeglasemalt öösel ja hommikul. Mõlemad seosed joonistusid välja eelkõige üle 9°C mullatemperatuuril. Käesoleva töö põhijäreldus on, et ökosüsteemide maa-aluse osa dünaamikat tuleb mõõta aastaringselt ja kogu ökosüsteemi tasemel ehk hõlmates nii puude, kui alustaimestiku juuri ning seenehüüfe. Kuna juurte ja hüüfide kasvukiirus ja aeg on väga varieeruv, siis mulla dünaamiliste aineringemudelite täiustamiseks ning ennekõike ökosüsteemide maa-aluse osa talitlemise mõistmiseks on vaja rohkem andmeid. Kaasaegsed masinõppe võimalused loovad mõõtmisteks uue põlvkonna võimalused, ent kindlasti vajavad valideerimist empiiriliste andmetega.

Fine roots (< 2 mm) and fungal hyphae are of key importance in the context of assessing and understanding the underground cycles of the ecosystem. The growth of both conifer and understorey fine roots, as well as fungal hyphae are seasonal and temperature sensitive. The growth dynamics of below-ground ecosystems are poorly understood, while the diurnal growth rhythms have remained a mystery. The aim of this thesis was to assess the growth dynamics of roots and fungal hyphae in a drained peatland forest, using modern technologies with high-frequency measurements. The research questions and hypotheses of the thesis related to describing and estimating the root and hyphal growth and indicators for future carbon cycle models. It was hypothesised that the elongation rate of pioneer roots depends on the size of the root and the current soil temperature; pioneer roots of woody plants and fungal hyphae have a diurnal rhythm; the decrease of soil temperature to below 9°C slows the growth of fungal hyphae and the fine roots of woody plants, which stop elongating in soil temperatures 2 – 5°C; and the turnover rate of fungal hyphae is higher in warmer soils. In this thesis, the seasonal and diurnal growth dynamics of pioneer roots of woody plants and fungal hyphae in drained peatland forest were assessed using flat-bed scanners. The scanners were automated to take images every full hour during the analysis period (July 2024 to March 2025). The relationships between growth dynamics were analysed and mainly related to soil temperature. The results confirmed a positive relationship between the growth rate of pioneer roots and soil temperature. However, no relationship was found between the elongation rate of pioneer roots and average root diameter, nor total root length. The elongation rate of woody plant roots was significantly slower at soil temperatures below 9°C. Roots stopped elongating at a temperature range of 4,6–12,6°C, which was higher than expected, indicating the individual growth variations in roots. Surprisingly, understorey roots grew throughout the winter, which conflicts with the assumptions that roots are usually dormant during the winter. This result affects the modelling of ecosystem soil carbon cycles. The growth dynamics of fungal hyphae also slowed down at soil temperatures below 9°C. Hyphal production, decomposition and turnover rate slowed down; however, the relative production of hyphae was higher in warmer soils per the same unit of length. Both woody pioneer roots and fungal hyphae had a diurnal growth rhythm. Pioneer roots elong at night and in the morning. Both relationships were particularly evident at soil temperatures above 9°C. The main conclusion of this thesis is that the dynamics of below-ground ecosystems need to be measured year-round and based on the whole ecosystem, including tree roots, understorey vegetation and fungal hyphae. Since the growth rate of fine roots and hyphae are highly variable, more data is needed for improved dynamic nutrient-cycle models – and, most of all, to understand the functions of below-ground ecosystems. Modern machine learning methodologies create a new generation of measurement capabilities, but they certainly need to be validated with empirical data.