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Detecting inter- and intra-species specific climate responses of four European tree species

  • Forests are and have been of major importance to cover a variety of societal needs. Today the demands on forests are ever increasing with sequestering carbon and balancing the climate, to name only a few. To cover those requirements forests need vital, productive, and sustainable. A difficult concept as such as the understanding of a healthy forest varies greatly. Nevertheless, forests still have to produce a sufficient amount of yield while threatened by changing climate conditions. These are predicted to bring extended and more intense drought periods as well as a higher frequency of storms and the promotion of secondary disturbances like insects calamities to also rise. In this complex situation of high and versatile demand the focus is on the allocation of the “right” forest. Forest management is requested to balance the needs of humans against those of wildlife against those of the trees themselves. To gain the respective knowledge on species responses and provenance growth, now and in the future research gaps need to be closed. All factors influencing tree growth and therefore ultimately yield need to be understood and special focus needs to be on the interactions within the forest ecosystem. One of the parameters in understanding aggregated tree growth is the dynamic of growth. This can be visualised by dendroecological methods, providing a picture of growth within the individual years. Growth dynamics are dependent on multiple factors, some, like soil being preconditioning and other like climate causing short-term responses. In this thesis I focus on the influence of climate on annual tree growth using a new approach of daily climate data to calculate climate-growth correlations. This method has the advantage of representing tree processes better than the former approach of using monthly means. Furthermore the program enables the user to feed climate scenarios and therefore estimate future growth. To gather information on species as well as provenance differences to provide advice to foresters I used different trials in Britain and Germany. On the British site different oak species were planted while the German sites are stocked with various spruce provenances. For the latter we additionally used stable carbon isotope analysis to calculate intrinsic water use efficiency. The climate-growth correlations revealed differences between the oak species with a generally higher linkage to precipitation than temperature. While the differences are clear, the question of thresholds and the role of extreme events became apparent in this work. VII Abstract Assessing the impact of extreme events using dendrometer data revealed little differences in the response to short term events of the three investigated species, oak, beech, and pine. We were able to pick up stimulus-response-relationships and as a novel result no species-specific responses were found when focusing on such a small time frame. The provenance trials offered the opportunity to investigate the potential of the use of daily climate data more closely. The two contrasting sites planted with six spruce provenances each gave an insight on the adaptive potential of provenances as well as an indication on the response times. Depending on the proceeding environmental and the local climate conditions decisions have to be made on the species or provenance selection. This thesis provides a method as well as insight on the behaviour of the important European species beech, oak, pine, and spruce. It, however, highlights the limitations such methods have for large scale estimates. While general trends on the response to specific soil factors can be used, the climatic responses, be it thresholds or climate-growth correlations can only be seen within the ecological context of their sampling region.
  • Der Wald ist und war schon immer von großer Bedeutung, um die unterschiedlichsten gesellschaftlichen Bedürfnisse zu decken. Heute sind die Anforderungen an Wälder noch vielfältiger und weitreichender geworden. Es wird unter anderem erwartet, dass durch die Bewirtschaftung ein positiver Einfluss auf die Sequestrierung von Kohlenstoff genommen wird. Des Weiteren sollen Effekte des Klimawandels vermindert werden. Um diesen Anforderungen zu genügen, müssen Wälder vital, produktiv und nachhaltig sein. Ein umsetzbares und akzeptiertes Konzept hierfür ist nicht leicht zu erreichen, da das Verständnis für einen gesunden und nachhaltigen Wald sehr verschiedenartig sein kann. Weiterhin müssen Wälder auch einen ausreichenden Ertrag erzielen, während sie durch verändernde klimatische Bedingungen bedroht werden. Es wird angenommen, dass sich der Klimawandel mit vermehrten Dürreperioden sowie einer höheren Sturmfrequenz auswirkt. Dazu könnten auch sekundäre Schaderreger, wie z. B. Insekten, beitragen. In dieser komplexen Situation der hohen und vielseitigen Ansprüche stellt sich die Frage nach der "richtigen" Waldzusammensetzung. Die forstliche Praxis sieht sich hier vor der Herausforderung, den Bedürfnissen von Menschen, Tieren und Pflanzen gleichermaßen gerecht zu werden. Es bedarf daher gesicherter Prognosen über das Zusammenspiel von Arten, aber auch deren zukünftiger Wachstumsreaktionen. Alle, das Baumwachstum beeinflussenden Faktoren, müssen einzeln und in ihrer Interaktion verstanden werden. Einer dieser Parameter für das Verständnis des aggregierten Baumwachstums ist dessen Dynamik. Diese kann durch dendroökologische Methoden untersucht werden, um das Wachstum in jährlicher Auflösung abzubilden. Die Wachstumsdynamik ist von mehreren Faktoren abhängig, einige, wie der Boden, haben einen präkonditionierenden Charakter, andere, wie das Klima, verursachen kurzfristige Reaktionen. In dieser Arbeit konzentriere ich mich auf den Einfluss des Klimas auf das jährliche Wachstum von Bäumen und die inter- und intraspezifischen Besonderheiten verschiedener Baumarten. Mithilfe einer neuen Methode (Kapitel 1), welche auf Basis von täglichen Klimadaten Klima-Wachstum Korrelationen berechnet, lassen sich klimatische Prozesse und ihre Veränderung abbilden. Außerdem ermöglicht das Programm den Benutzer, Klimaszenarien zu verwenden, um eine Abschätzung des zukünftigen Wachstums zu erlangen. Um Informationen über bestimmte Arten sowie Herkünfte zu erhalten, habe ich unterschiedliche Versuchsflächen in Großbritannien und Deutschland verwendet. Auf der IX Deutsche Zusammenfassung britischen Fläche wurden mehrere Eichenarten gepflanzt, während die deutschen Standorte mit verschiedenen Fichten-Provenienzen bestückt sind. Für Letzteres verwendeten wir zusätzlich die Analyse des stabilen Kohlenstoff-Isotops zur Berechnung der intrinsischen Wassernutzungseffizienz. Bei den Klima-Wachstumskorrelationen zeigten sich Unterschiede zwischen den Eichenarten mit einer generell höheren Anbindung an den Niederschlag als an die Temperatur. Während die Unterschiede deutlich sind, stellte sich die Frage der Schwellenwerte und die Rolle von Extremereignissen in dieser Arbeit. Hierzu verwendeten wir eine weitere Fläche in Deutschland, um mit Dendrometerdaten die Auswirkungen von Extremereignissen zu erfassen. Die Bewertung dieser offenbart nur minimale Unterschiede in der Reaktion auf kurzfristige Ereignisse der drei untersuchten Arten Eiche, Buche und Kiefer. Wir konnten Stimulus-Response-Beziehungen erkennen und zeigen, dass sich die drei Arten in einem kleinen Zeitfenster nicht in ihrer Reaktion auf Extremereignisse unterscheiden. Die Provenienzversuche boten im Gegensatz dazu die Gelegenheit, das Potenzial des Einsatzes von täglichen Klimadaten genauer zu untersuchen. Die beiden kontrastierenden Standorte, bepflanzt mit jeweils sechs Fichtenprovenienzen, gaben einen Einblick auf das adaptive Potenzial der einzelnen Provenienzen sowie einen Hinweis auf die Reaktionszeiten. Je nach ökologischen Verfahren und den lokalen klimatischen Bedingungen müssen Entscheidungen über die Auswahl einer Art oder Herkunft erfolgen. Diese Arbeit liefert sowohl eine Methode als auch einen Einblick in das Verhalten der wichtigen europäischen Baumarten Buche, Eiche, Fichte und Kiefer. Gleichzeitig zeigen sich jedoch die Einschränkungen, die solche Methoden für groß angelegte Schätzungen haben. Während allgemeine Trends auf die Reaktion von bestimmten Bodenfaktoren Verwendung finden können, können klimatische Reaktionen, durch Schwellenwerte oder Klima-Wachstumskorrelationen berechnet, nur im ökologischen Kontext ihres Wuchsgebietes gesehen werden.

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Metadaten
Author: Tanja G. M. Sanders
URN:urn:nbn:de:gbv:9-002773-6
Title Additional (German):Bestimmung von inter- und intraspezifischen Reaktionen vier europäischer Baumarten auf das Klima
Advisor:Prof. Dr. Martin Wilmking
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of Publication (online):2017/05/19
Granting Institution:Ernst-Moritz-Arndt-Universität, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät (bis 31.05.2018)
Date of final exam:2017/04/28
Release Date:2017/05/19
GND Keyword:Baumart, Jahresring, Klima, Zuwachs
Faculties:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Botanik und Landschaftsökologie & Botanischer Garten
DDC class:500 Naturwissenschaften und Mathematik / 580 Pflanzen (Botanik)