Recent climatic extreme events, such as the 2018-2020 drought period, demonstrate that ongoing climate change has a significant impact on our plant ecosystems, resulting in a variety of consequences such as temporal shifts in the growing season, biodiversity loss, and increased tree mortality. Forest ecosystems are especially endangered because the trees’ long lifecycles and their sessile nature impairs the potential to adapt or evade negative impacts in time. Nonetheless, forests are particularly essential because they accomplish key functions in our economic, ecological, and social lives, such as supplying timber, regulating carbon- and water cycling, or providing recreational benefits. Consequently, we need to investigate and comprehend the climatic impact on forest growth at both temporal and spatial scales. Additionally, we must examine the current state of forest vitality and productivity in order to make predictions about forest growth under changing climate.
This thesis adds to our understanding of the climate-growth responses of two economically and ecologically important tree species in Central Europe within their low elevational and central distribution ranges: European beech (Fagus sylvatica L.) and Scots pine (Pinus sylvestris L.). We examine patterns in climate-driven growth responses at different spatiotemporal scales, ranging from regional to site-specific extents, and from retrospective to near real-time monitoring. In addition, we look at the possibility of employing tree-ring width (TRW) and remote-sensing (RS) data to assess forest vitality and productivity. A deeper knowledge of climate-growth responses in European beech and Scots pine will provide a foundation for decision making and forest management, assisting in the development of a resistant and resilient forest of the future.
Chapter 1 provides an overview of the research objectives by situating them in the context of the present state of the art, framing the research objectives, introducing the study design, and finally formulating the research questions for this thesis. For that reason, we employ two tree-ring networks with varying spatial scales: the regional-scale Baltic Sea Network and the site-specific BDF-F-Network. The Baltic Sea Network includes TRW data from 119 pine and 55 beech study sites spread throughout the southern Baltic Sea region, which is distinguished by its predominantly medium nutritious soils, low elevation, and transitional climate ranging from maritime to more continental conditions. The BDF-F-Network, situated within the spatial extents of the Baltic Sea Network, spans along a precipitation gradient in northern Germany. It comprises 54 permanent monitoring plots with substantial information on soil and tree status dating back 40 years. During this PhD project, we extended the exhaustive data base of site-specific information by collecting TRW data for the entire network. As a result, the newly established BDF-F-Network acts as the thesis' centering point.
In Chapters 2 and 3, we investigate the spatio-temporal growth responses of beech and pine in their low-elevational and central distribution ranges. Both species exhibit species-specific climate-growth responses with similar patterns at different spatial scales, i.e. when comparing the Baltic Sea and BDF-F-Network. While beech growth is predominantly impacted by summer drought conditions, winter temperature has the greatest impact on pine. We show that the main climatic drivers stay stable across spatial scales, whereas secondary climatic drivers, or climatic drivers with weaker correlations, may vary. Further, we investigate temporal instabilities in climate-growth responses for both networks by applying spatial segregation analyses and comparing growth responses for an early and a later period. We show that during the last few decades, both beech and pine have responded instable to their main climatic drivers, with increased sensitivity to summer drought and winter temperature, respectively. These temporal instabilities are visible at both regional and site-specific scales.
Furthermore, Chapter 3 addresses how non-climatic and site-specific soil- and stand characteristics may influence tree growth across the BDF-F-Network's precipitation gradient. We use multilinear regression modeling to examine how stand parameters such as average tree height, diameter at breast height, and TRW differ across the gradient, and if they are impacted by soil water availability or soil type. However, our findings indicate no significant differences in site-specific soil- and stand-characteristics, with the exception of a minor effect on average tree height of European beech.
In Chapter 4, we estimate the potential of TRW to assess long-term trends in beech vitality. At 9 sites, we compare the growth trends, climate sensitivities, and drought resistance of 10-20 pairs of vital and non-vital trees that are visually classified by crown condition. Moreover, we use individual heterozygozity as a proxy to determine if differences in growth behavior are caused by genetic predisposition. Surprisingly, growth responses and individual heterozygozity are similar in non-/vital trees. At several study sites, some as vital classified trees exhibit an even greater reduction in TRW than non-vital trees. In summary, we show that TRW is a better proxy for assessing long-term trends in tree vitality, compared to crown condition assessments that are defined by a high year-to-year dynamic.
Similarly, Chapter 5 seeks to study the potential of satellite-derived leaf area index (LAI) series to monitor and evaluate forest productivity using European beech as an example. We employ an interdisciplinary approach by combining medium resolution LAI time series derived from two separate satellite sensors (SPOT-VGT/PROBA-V and MODIS), as well as long-term masting monitoring and TRW data from BDF-F-Network sites. By applying site-specific and across-network correlation analysis, we analyze the link between these three target parameters and identify common climatic drivers. While SPOT-VGT/PROBA-V LAI is negatively correlated with masting and positively correlated with TRW, finer resolved MODIS data does not show any significant relationships. We show that RS data from the SPOT-VGT/PROBA-V sensor could be a useful tool for assessing forest vitality and productivity if the LAI time series are sufficiently long. Furthermore, our findings indicate that masting and TRW are both influenced by summer climate conditions, whereas RS LAI appears to be climatically de-coupled. Our findings suggest that RS data has the potential to explore masting and hence forest productivity, but it should always be evaluated in light of the restrictions of different RS products.
Finally, Chapter 6 summarizes the preceding chapters' findings and discusses them in the context of the research questions provided at the beginning of the thesis. / Die jüngsten klimatischen Extremereignisse, wie die Dürreperiode 2018-2020, zeigen, dass sich der anhaltende Klimawandel erheblich auf unsere Pflanzenökosysteme auswirkt. Dies führt zu einer Vielzahl weitreichender Folgen, wie der zeitlichen Verschiebung von Wachstumsperioden, Verlusten in der Biodiversität oder einer erhöhten Waldsterblichkeit. Besonders gefährdet sind hierbei Waldökosysteme, da die langen Lebenszyklen von Bäumen eine schnelle Anpassung an sich ändernde Klimabedingungen stark beeinträchtigen. Jedoch erfüllen vor allem Wälder wichtige Funktionen in unserem wirtschaftlichen, ökologischen und sozialen Leben, z. B. als Holzlieferanten, Regulatoren des Kohlenstoff- und Wasserkreislaufs oder auch als Erholungsraum für die Menschen. Dementsprechend ist es unerlässlich die klimatischen Auswirkungen auf das Waldwachstum sowohl auf zeitlicher als auch auf räumlicher Ebene zu untersuchen und zu verstehen. Zudem müssen wir auch den aktuellen Zustand der Vitalität und Produktivität der Wälder überprüfen, um aussagekräftige Prognosen zum Waldwachstum unter dem Einfluss des Klimawandels treffen zu können.
Diese Dissertation trägt zu unserem Verständnis der Klimawachstumsreaktionen zweier wirtschaftlich und ökologisch relevanter Baumarten in ihrem ökologisch optimalen Verbreitungsgebiet in Mitteleuropa bei: der Rotbuche (Fagus sylvatica L.) und der Waldkiefer (Pinus sylvestris L.). Hierbei werden die klimabedingten Wachstumsreaktionen auf verschiedenen räumlichen und zeitlichen Skalen untersucht, welchen von regionalen bis standortsspezifischen Ausmaßen und von retrospektiven Analysen bis nahezu Echtzeit-Monitoring reichen. Darüber hinaus erörtert diese Arbeit das Potenzial Jahrringdaten (TRW) als auch Fernerkundungsdaten (RS) zur Bewertung der Vitalität und Produktivität von Wäldern beispielhaft an der Rotbuche zu verwenden. Ein tiefreichendes Verständnis der Klima- Wachstumsreaktionen der Rotbuche und der Waldkiefer bietet somit eine gute Basis um bei Fragen zur zukünftigen Waldbewirtschaftung und der Entscheidungsfindung zu unterstützen, sodass wir einen widerstandsfähigen Wald der Zukunft aufbauen können.
Kapitel 1 gibt einen Überblick über diese Dissertation, indem es Forschungsfragen in den Kontext des aktuellen Stands der Wissenschaft einordnet, die Forschungsziele erläutert, das Studiendesign vorstellt und schließlich die Forschungsfragen formuliert. Hierbei verwenden wir zwei Jahrringnetzwerke mit unterschiedlichen räumlichen Ausmaßen: das regionale Baltic Sea Netzwerk und das standortspezifische BDF-F-Netzwerk. Das Baltic Sea Netzwerk umfasst TRW-Daten von 119 Kiefern- und 55 Buchen-Standorten, welche sich über die gesamte südliche Ostseeregion erstrecken. Diese Standorte sind durch überwiegend mittelnährstoffreiche Böden, niedrige Höhenprofile und einem Übergangsklima von maritimen zu kontinentalen Bedingungen charakterisiert. Das BDF-F-Netz erstreckt sich entlang eines Niederschlagsgradienten in Norddeutschland und befindet sich somit innerhalb der geographischen Ausdehnungen des Baltic Sea Netzwerkes. Es umfasst 54 permanente Monitoring-Standorte zu denen umfangreichen Informationen zum Boden- und Baumzustand der letzten 40 Jahre vorliegen. Im Rahmen dieses Dissertationsprojektes wurden die umfassenden standortspezifischeren Informationen mit TRW-Daten für das gesamte Netzwerk ergänzt. Das daraus resultierende BDF-F-Netzwerk bildet somit den Dreh- und Angelpunkt der Dissertation.
In den Kapiteln 2 und 3 werden die räumlichen und zeitlichen Wachstumsreaktionen von Rotbuche und Waldkiefer in ihren zentralen Verbreitungsgebieten untersucht. Unabhängig von der räumlichen Skala, sprich beim Vergleich von Standorten beider Netzwerke, zeigen beide Baumarten artspezifische Klimawachstumsreaktionen. Während die Rotbuche primär von Sommertrockenheit beeinflusst wird, ist das Wachstum der Waldkiefer maßgeblich von den Temperaturen im Winter geprägt. Zudem zeigt diese Arbeit, dass die primären Klimatreiber über verschiedene räumliche Skalen hinweg stabil bleiben. Sekundäre Klimatreiber, welche durch schwächeren Korrelationen zwischen Klima und Wachstum charakterisiert sind, können jedoch über geographische Ausbreitungen hinweg variieren. Weiterhin wurden zeitliche Instabilitäten in den Klimawachstumsreaktionen für beide Netzwerke mittels räumlicher Segregationsanalysen und dem Vergleich einer frühen und einer späteren zeitlichen Periode untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass sowohl Rotbuche als auch Waldkiefer Instabilitäten in ihren Hauptklimatreibern aufweisen. In den letzten Jahrzehnten stieg die Sensitivität der Rotbuche auf Sommertrockenheit signifikant an, während die Waldkiefer immer stärker auf Wintertemperaturen reagiert. Diese zeitlichen Instabilitäten können in beiden Netzwerken, sowohl auf überregionalen als auch auf standortortsspezifischer Skala, nachgewiesen werden.
Kapitel 3 beleuchtet den Einfluss nichtklimatischer und standortspezifische Merkmale des Bodens und Bestandes auf das Baumwachstum. Hierbei werden entlang des Niederschlagsgradienten des BDF-F-Netzwerks Unterschiede in der durchschnittlichen Baumhöhe, des Brusthöhendurchmesser und TRW mittels multilinearer Regressionsmodellierung untersucht. Zudem werden die Einflüsse der Bodenwasserverfügbarkeit als auch der Bodenart erörtert. Abgesehen von einem marginalen Einfluss auf die durchschnittliche Baumhöhe der Rotbuche bestehen keine signifikanten Unterschiede in den Bestands- und Bodencharakteristika des Standorts. Die zugrundeliegenden Ursachen werden in Hinblick auf Erkenntnisse der aktuellen wissenschaftlichen Literatur und des Studiendesigns des BDF-F-Netzwerkes besprochen.
Kapitel 4 untersucht das Potenzial TRW-Daten zu verwenden, um langfristige Trends in der Vitalität der Rotbuche zu bewerten. Hierbei wurden in 9 Beständen 10-20 Baumpaare, bestehend aus je einem vitalen und einem nicht vitalen Baum, visuell nach Kronenzustand klassifiziert. Somit können Unterschiede in den langfristigen Wachstumstrends, der Klimasensitivität und der Trockenheits-resistenz zwischen nicht-/vitalen Individuen analysiert werden. Zudem wird die individuelle Heterozygotie als Proxy für genetische Vielfalt der Rotbuche herangezogen, um genetisch bedingte Unterschiede im Wachstumsverhalten zu beleuchten. Überraschenderweise unterscheiden sich weder die Wachstumsreaktionen noch die individuelle Heterozygotie bei nicht-/vitalen Rotbuchen. Zudem zeigen einige vitale Bäume eine höhere TRW-Reduktion im Vergleich zu nicht vitalen Bäumen. Dementsprechend zeigen die Ergebnisse, dass TRW ein guter Proxy für die Bewertung langfristiger Trends in der Vitalität von Bäumen zu sein scheint, wohingegen Vitalitätsansprachen mittels visueller Abschätzung des Kronenzustands aufgrund einer hohen Jahr-zu-Jahr-Dynamik eine Momentaufnahme der Baumvitalität darstellen.
Kapitel 5 erörtert die Frage, inwieweit wir satellitenbasierte Daten (RS) mit mittlerer Auflösung zur Überwachung und Bewertung der Waldproduktivität verwenden können und untersucht dies am Beispiel der Rotbuche. In diesem interdisziplinären Ansatz werden Fernerkundungsdaten des Blattflächenindex (LAI) von zwei Satellitensensoren (SPOT-VGT/PROBA-V und MODIS) mit Daten zum Mastverhalten und der TRW der Rotbuche innerhalb des BDF-F-Netzwerks kombiniert. Durch standortspezifische und netzwerkweite Korrelationsanalysen wird der Zusammenhang dieser drei Zielparameter analysiert und anhand gemeinsamer klimatischer Treiber diskutiert. Während SPOT-VGT/PROBA-V LAI negativ mit Mast und positiv mit TRW korreliert, gibt es keine signifikanten Korrelationen in höher aufgelösten MODIS-Daten. Die Ergebnisse zeigen, dass bei ausreichend langen Zeitreihen SPOT-VGT/PROBA-V-Daten ein nützliches Werkzeug zur Bewertung der Waldvitalität und -produktivität sein können. Darüber hinaus scheint RS LAI klimatisch entkoppelt zu sein, während sowohl Mastverhalten als auch TRW hauptsächlich vom Sommerklima beeinflusst werden. Die Ergebnisse zeigen, dass satellitenbasierte LAI-Daten das Potential besitzen das Mastverhalten und somit die Waldproduktivität zu erfassen und zu analysieren. Jedoch sollten etwaige Interpretationen und Rückschlüsse immer in Bezug zu technologischen und methodologischen Limitationen verschiedener RS-Produkte bewertet werden.
Abschließend fasst Kapitel 6 die Ergebnisse der vorherigen Kapitel zusammen und diskutiert sie im Zusammenhang mit den Forschungsfragen, die zu Beginn der Arbeit gestellt wurden.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa:de:qucosa:89029 |
| Date | 30 January 2024 |
| Creators | Stolz, Juliane |
| Contributors | Maaten-Theunissen, Marieke van der, Jump, Alistair S., Prislan, Peter, Technische Universität Dresden |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | English |
| Detected Language | English |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, doc-type:doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, doc-type:Text |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
| Relation | 10.1111/gcb.14966, 10.1016/j.dendro.2021.125834, 10.1007/S10113-023-02068-5, 10.1016/j.foreco.2023.121516 |
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