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Bitte verwenden Sie diesen Link, wenn Sie dieses Dokument zitieren oder verlinken wollen: https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:gbv:9-opus-26780

Temperate Deciduous Forests in Europe Under Climate Change: Impacts Across Spatial Scales and Sensitivity to Winter Soil Temperature Variation

  • The rapid anthropogenic climate change that is projected for the 21st century is predicted to have severe impacts on ecosystems and on the provision of ecosystem services. With respect to the longevity of trees, forestry in particular has to adapt now to future climate change. This requires profound multidisciplinary knowledge on the direct and indirect climate sensitivity of forest ecosystems on various spatial scales. Predictions on growth declines due to increasing drought exposition during climate change are widely recognized for European beech (Fagus sylvatica L.), which is the major forest tree in European temperate deciduous forests. However, research from other continents or other biomes has shown that winter climate change may also affect forest growth dynamics due to declining snow cover and increased soil cooling. So far, this winter cold sensitivity is largely unexplored in Europe. Thus, particularly focussing on forest growth dynamics and winter cold sensitivity, the goal of this PhD-project was to explore how climate sensitivity of forest ecosystems differs regionally. By doing so, the project aimed to deliver insights about possibilities and limits of upscaling regional knowledge to a global understanding of climate sensitivity. To achieve these goals, this PhD-project integrated five studies (Manuscripts 1–5) that investigated the climate sensitivity of biogeochemical cycles, plant species composition in forests, and forest growth dynamics across spatial scales. In particular, a large-scale gradient-design field experiment simulated the influence of winter climate change on forest ecosystems by snow cover and soil temperature manipulations (Manuscript 1). This study indicated that soil cooling and decreased root nutrient uptake may indirectly reduce growth of adult forest trees. Moreover, this study indicated uniform ecological sensitivity to soil temperature changes across sites along a large winter temperature gradient (ΔT = 4 K across 500 km), irrespective of the site-specific history of snow cover conditions, which motivates upscaling from local winter climate change studies to the regional scale. Although regional climate drives growth of adult forest trees, local factors, such as site-specific edaphic conditions, might control plants in the forest understory. This assumption was tested by mapping the forest understory composition along the same winter temperature gradient as introduced above (Manuscript 2). Across sites, this study found that edaphic conditions explained the spatial turnover in the forest understory composition more than climate, which might moderate direct climate change impacts on the forest understory composition. However, edaphic conditions, forest structure, and climate are linked by triangular interactions. Thus, climate change might still indirectly affect the forest vegetation dynamics. Moreover, a dendroecological study focussed on the same winter temperature gradient from central to cold-marginal beech populations as above in order to identify gradual changes in summer drought and winter cold sensitivity in tree growth (Manuscript 3). Towards the cold distribution margin, the influence of drought on tree growth gradually decreased, while growth reductions were increasingly related to winter cold due to harsher winter climate. By a large-scale dendroecological network study assessed the relationship of growth dynamics to climate and reproductive effort in beech forests across Europe (Manuscript 4). Indeed, this study found the general pattern across the distribution range of beech that high temperature controlled growth indirectly via resource allocation to reproduction. However, the strong, direct drought signal that could be generally detected from dry-marginal to central populations vanished towards the cold-marginal populations, where the more focussed study of Manuscript 3 identified a stronger relationship of tree growth to winter cold. Further extending the scope of this PhD-thesis to global scales, litter decomposition rates were assessed across biomes (Manuscript 5). This study found a robust relationship between climate and decomposition rates, but it also demonstrated large within-biome variability on a local scale. These local scale differences might depend on habitat conditions that, in turn, could be modulated by climate change, which calls for a better exploration of indirect climate sensitivity. In conclusion, this PhD-thesis highlighted that multidisciplinary research can advance the understanding of ecological interactions in forest ecosystems under changing climate scenarios. In this PhD-project, a winter climate change experiment, where site-representative target trees were selected by means of dendroecology, contributed to a mechanistic understanding of winter cold sensitivity in forest growth dynamics. Dendroecological investigations then put the findings in a broader temporal and spatial context by describing local climate sensitivity of tree growth on different spatial scales. This thesis further shows that global generalizations about the relationship of climate and ecological processes in ecosystem models have to be critically reviewed for the need of local and regional adjustment because these processes might experience considerable regional- or local-scale variation. However, this thesis reports uniform sensitivity of ecological processes to altered winter soil temperature regimes across a large winter temperature gradient. Thus, upscaling from insights of previous winter climate change experiments to regional scales is encouraged.
  • Der schnelle anthropogene Klimawandel, der für das 21. Jahrhundert prognostiziert ist, wird voraussichtlich schwerwiegende Auswirkungen auf Ökosysteme und die Bereitstellung von Ökosystemdienstleistungen haben. Insbesondere die Forstwirtschaft muss sich aufgrund der Langlebigkeit von Bäumen jetzt an den künftigen Klimawandel anpassen. Dies erfordert ein belastbares und multidisziplinäres Verständnis der direkten und indirekten Klimasensitivität von Waldökosystemen über verschiedenen räumlichen Skalen hinweg. Vorhersagen über eine zukünftige Verringerung des Wachstums als Folge von zunehmender Trockenheit während des Klimawandels sind für die Rotbuche (Fagus sylvatica L.), der Hauptwaldbaumart in den gemäßigten Laubwäldern Europas, weithin anerkannt. Untersuchungen von anderen Kontinenten oder anderen Biomen haben jedoch gezeigt, dass auch der Winterklimawandel das Waldwachstum beeinflussen kann, da durch eine verringerte und seltenere Schneedecke Böden verstärkt auskühlen können. Bisher ist dieses Phänomen in Europa weitgehend unerforscht. Ziel dieses Promotionsprojekts war es daher zu untersuchen, wie sich die Klimasensitivität von Waldökosystemen regional unterscheidet und dabei besonders den Einfluss von Winterkälte auf Baumwachstum und Waldökosystemprozesse zu beleuchten. Somit sollte das Projekt Einblicke geben, inwieweit regionale Erkenntnisse hochskaliert werden können und zum globalen Verständnis der Klimasensitivität beitragen können. Um diese Ziele zu erreichen, wurden in diesem Promotionsprojekt fünf Studien (Manuskripte 1–5) zusammengefasst, die die Klimasensitivität von biogeochemischen Kreisläufen, die Zusammensetzung von Pflanzenarten in Wäldern und die Dynamik des Baumwachstums über räumliche Skalen hinweg untersuchten. Dabei wurde in einem groß angelegten Freilandexperiment entlang eines Wintertemperaturgradienten (ΔT = 4 K über 500 km) durch Manipulationen der Schneedecke und der Bodentemperatur der Einfluss des Winterklimawandels auf Waldökosysteme simuliert (Manuskript 1). Diese Studie zeigte, dass kältere Böden und die verminderte Aufnahme von Nährstoffen durch Wurzeln indirekt Baumwachstum verringern können. Darüber hinaus zeigte diese Studie, dass die ökologische Empfindlichkeit gegenüber veränderter Bodentemperaturen über Standorte hinweg einheitlich war und unabhängig von den standortspezifischen mittleren Winterbedingungen. Es ist also durchaus gültig, die Ergebnisse von früheren, lokalen Einzelstudien zum Winterklimawandel räumlich zu extrapolieren um sie für großflächigere Bewertungen heranzuziehen. Obwohl das Baumwachstum durch das regionale Klima beeinflusst wird, können lokale Habitatbedingungen maßgeblicher für die Waldbodenvegetation sein. Diese Annahme wurde in Manuskript 2 getestet, indem die Zusammensetzung der Waldbodenvegetation entlang des oben beschriebenen Wintertemperaturgradienten kartiert wurde. In dieser Studie wurde festgestellt, dass die Zusammensetzung der Waldbodenvegetation mehr von edaphischen als von klimatischen Bedingungen abhängt, was die direkten Auswirkungen des Klimawandels mildern könnte. Der Klimawandel könnte jedoch die Vegetationsdynamik der Wälder durch eine Veränderung der Waldstruktur auch indirekt beeinflussen, da auch die Bodenbildung stark von dieser abhängt. Weiterhin verglich eine dendroökologische Studie, wieder entlang desselben Wintertemperaturgradienten, die räumlichen Unterschiede in der Klimasensitivität der Buche (Manuskript 3). Zu kälteren Standorten hin nahm der Einfluss von Dürre auf das Baumwachstum allmählich ab und verringertes Wachstum konnte zunehmend durch Winterkälte erklärt werden. Durch eine große, europaweite dendroökologische Netzwerkstudie wurde zudem untersucht, wie das Wachstum der Buche gleichwohl durch Klima und Samenproduktion beeinflusst wird (Manuskript 4). Diese Studie fand das für das gesamte Verbreitungsgebiet der Buche gültige Muster, dass hohe Sommertemperaturen im Vorjahr Mastjahre auslösen können und somit indirekt das Baumwachstum reduziert wird, da verstärkt Ressourcen in die Samenproduktion investiert werden. Die typische direkte Dürreempfindlichkeit, das für Buchenpopulationen vom trockenen Verbreitungsrand bis zum Zentrum der Verbreitung nachgewiesen wurde, verschwand jedoch in Richtung der Kältegrenze der Buche, wo, wie bereits beschrieben (Manuscript 3), Winterkälte mehr von Bedeutung war. Um diese Dissertation in einen globalen Kontext einzuordnen, wurde über unterschiedliche Biome hinweg untersucht, wodurch Streuzersetzungsraten beeinflusst werden (Manuskript 5). Auf globaler Ebene fand diese Studie eine robuste Beziehung zwischen Klima und Zersetzungsraten. Auf lokaler Ebene zeigte sich jedoch eine große räumliche Variabilität der Zersetzungsraten innerhalb von Biomen. Diese lokale Variabilität könnte von den lokalen Habitatbedingungen abhängen, die wiederum durch den Klimawandel moduliert werden könnten. Ein besseres Verständnis des indirekten Einflusses des Klimas auf Streuzersetzungsraten ist also dringend nötig. Zusammenfassend wurde in dieser Dissertation herausgestellt, dass multidisziplinäre Forschung das Verständnis ökologischer Wechselwirkungen in Waldökosystemen verbessern kann und somit genauere Klimawandelprognosen ermöglicht. In diesem Promotionsprojekt half ein Winterklimawandelexperiment, bei dem standortrepräsentative Zielbäume mit Hilfe der Dendroökologie ausgewählt wurden, die Winterkälteempfindlichkeit des Baumwachstums kausal zu verstehen. Dendroökologische Untersuchungen ordneten die Ergebnisse dann in einen breiteren zeitlichen und räumlichen Kontext ein, indem die lokale Klimasensitivität des Baumwachstums auf verschiedenen räumlichen Skalen beschrieben wurde. Die vorliegende Arbeit zeigt ferner, dass globale Verallgemeinerungen über die Beziehung von Klima und ökologischen Prozessen in Ökosystemmodellen in Einzelfällen möglicherweise lokal und regional angepasst werden müssen, da diese Prozesse auf lokaler Ebene stark von globalen Mustern abweichen können. Diese Dissertation zeigte jedoch auch, dass die Empfindlichkeit ökologischer Prozesse gegenüber veränderten Winterbodentemperaturen entlang eines langen Wintertemperaturgradienten einheitlich war. Erkenntnissen frühere Einzelexperimente zum Winterklimawandel können somit zumindest regional hochskaliert werden.

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Metadaten
Author: Robert WeigelORCiD
URN:urn:nbn:de:gbv:9-opus-26780
Title Additional (German):Gemäßigte Laubwälder in Europa im Klimawandel: Auswirkungen über verschiedene räumliche Skalen und Sensitivität gegenüber Schwankungen der Bodentemperatur im Winter
Referee:Prof. Dr. Jürgen Kreyling, Prof. Dr. Christoph Leuschner, Prof. Dr. Dr. Norbert Hölzel
Advisor:Prof. Dr. Jürgen Kreyling
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2018
Date of first Publication:2019/05/29
Granting Institution:Universität Greifswald, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
Date of final exam:2019/04/24
Release Date:2019/05/29
Tag:beech, climate-growth relationships, dendroecology, experimental plant ecology, fagus sylvatica, forest understory vegetation, gradient-design field experiment, snow cover manipulation, tree-growth patterns, winter ecology
GND Keyword:Bodentemperatur, Buche, Feldversuch, Jahresring, Rotbuche, Waldökosystem, Winter
Pagenumber:129
Faculties:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Botanik und Landschaftsökologie & Botanischer Garten
DDC class:500 Naturwissenschaften und Mathematik / 570 Biowissenschaften; Biologie
500 Naturwissenschaften und Mathematik / 580 Pflanzen (Botanik)