Innovative application of xylem anatomy to investigate the complex relationships between carbon sequestration and biomass growth in a Norway spruce forest in the Italian Alps

The forest ecosystems are one of the main global carbon sinks, sequestering about 30% of total anthropogenic CO2. Due to uncertainties and interannual variabilities in the estimation of forest carbon balance, several studies found an inconsistent link between tree biomass increment and ecosystem primary productivity measured by eddy covariance. This thesis innovatively investigated the complex relationship between the forest carbon flux and the tree biomass using quantitative wood anatomy. In the Norway spruce forest of Renon, Italian Alps, the intra-annual variabilities of xylem anatomical features of Norway spruce were correlated with eddy covariance data. Seven trees were selected for the anatomy analysis which spanned from 1934 to 2020. Two xylem anatomical traits, the cell wall area (CWA), and the cell number (NUM) were analyzed. The results showed that the CWA in earlywood responded positively to winter precipitation while CWA in latewood (LW) and cell number in earlywood (EW) and latewood were influenced by temperature. The CWA in earlywood and latewood yielded negative and mostly non-significant correlation with the eddy covariance gross primary productivity (GPP) while a marginal positive correlation, was obtained for NUM_EW and NUM_LW with GPP. This study evidences climate influence on gross primary productivity (GPP), particularly in early spring when temperatures are generally above 0 at the site. Furthermore, May-September temperature correlation with CWA in latewood indicates that carbon sink at the end of the growing season was affected by climate. However, low associations between anatomical traits and GPP were observed. The incompatibility could be attributed to the absence of reliable techniques to measure advective fluxes on sloping terrains and the storage of photosynthates in non-structural carbohydrate pools. The negative correlation between CWA in earlywood and latewood with spring and summer GPP respectively, suggests that photosynthates were not immediately mobilized for stem growth and this calls for further research on an integrated quantification of other carbon storage pools for closure in forest carbon balance.

Gli ecosistemi forestali sono uno dei principali serbatoi di carbonio a livello globale, in quanto sequestrano circa il 30% della CO2 antropogenica totale. A causa delle incertezze e delle variabilità interannuali nella stima del bilancio del carbonio forestale, diversi studi hanno riscontrato un legame incoerente tra l'incremento della biomassa arborea e la produttività primaria dell'ecosistema misurata mediante eddy covariance. Questa tesi ha indagato in modo innovativo la complessa relazione tra il flusso di carbonio della foresta e la biomassa degli alberi utilizzando l'anatomia quantitativa del legno. Nella foresta di abete rosso del Renon, nelle Alpi italiane, le variabilità intra-annuali delle caratteristiche anatomiche dello xilema dell'abete rosso sono state correlate con i dati di eddy covariance. Sono stati selezionati sette alberi per l'analisi dell'anatomia, che ha spaziato dal 1934 al 2020. Sono stati analizzati due tratti anatomici dello xilema, l'area della parete cellulare (CWA) e il numero di cellule (NUM). I risultati hanno mostrato che il CWA nel legno primaticcio ha risposto positivamente alle precipitazioni invernali, mentre il CWA nel legno tardivo (LW) e il numero di cellule nel legno primaticcio (EW) e nel legno tardivo sono stati influenzati dalla temperatura. Il CWA nell'earlywood e nel latewood ha prodotto una correlazione negativa e per lo più non significativa con la produttività primaria lorda (GPP) eddy covariance, mentre una correlazione positiva marginale è stata ottenuta per NUM_EW e NUM_LW con la GPP. Questo studio evidenzia l'influenza del clima sulla produttività primaria (GPP), in particolare all'inizio della primavera, quando le temperature sono generalmente superiori a 0 nel sito. Inoltre, la correlazione tra la temperatura di maggio-settembre e il CWA nel legno tardivo indica che l'assorbimento di carbonio alla fine della stagione di crescita è influenzato dal clima. Tuttavia, sono state osservate basse associazioni tra i tratti anatomici e la GPP. L'incompatibilità potrebbe essere attribuita all'assenza di tecniche affidabili per misurare i flussi advettivi su terreni in pendenza e all'immagazzinamento dei fotosintati in pool di carboidrati non strutturali. La correlazione negativa tra il CWA nel legno primaticcio e nel legno tardivo con la GPP primaverile ed estiva, rispettivamente, suggerisce che i fotosintati non sono stati immediatamente mobilitati per la crescita del fusto e ciò richiede ulteriori ricerche sulla quantificazione integrata di altri pool di stoccaggio del carbonio per la chiusura del bilancio del carbonio della foresta.