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Forests are ecologically important ecosystems, for example, they absorb CO2 from the
atmosphere, mitigate climate change, and constitute habitats for the majority of terrestrial
flora and fauna. Currently, due to increasing human pressure, forest ecosystems are
increasingly subjected to changing environmental conditions, which may alter forest growth
to varying degrees. However, how exactly different tree species will respond to climate
change remains uncertain and requires further comprehensive studies performed at different
spatial scales and using various tree-ring parameters.
This dissertation aims to advance the knowledge about tree-ring densitometry and
tree responses to climate variability and extremes at different spatial scales, using various
tree species. More specifically, the following aims are pursued: (i) to obtain and compare
wood density data using different techniques, and to assess variability among laboratories
(Chapter I). (ii) To investigate microsite effects on local and regional Scots pine (Pinus
sylvestris L.) responses to climate variability (Chapter II) and extremes (Chapter III),
using ring width (RW) and latewood blue intensity (LBI) parameters. (iii) To give a general
site- and regional-scales overview of Scots pine, pedunculate oak (Quercus robur L.), and
European beach (Fagus sylvatica L.) RW responses to climate variability (Chapter IV). (iv)
To discuss the challenges which may result from compiling tree ring records from different
(micro)sites into large-scale networks. The study area comprises nine coastal dune sites, each
represented by two contrasting microsites: dune ridge and bottom (Chapters II and III), and
310 different sites within the south Baltic Sea lowlands (Chapter IV).
The dissertation confirms that sample processing and wood density measuring are
very important steps, which, if not performed carefully, may result in biases in growth trends,
climate-growth responses, and climate reconstructions. The performed experiment proved
that the mean levels of different wood density-related parameters are never comparable due
to different measurement resolutions between various techniques and laboratories. Further,
the study revealed substantial biases using data measured from rings of varying width due
to resolution issues, where resolution itself and wood density are lowered for narrow rings
compared to wide rings (Chapter I).
The (micro)site-specific investigation showed that, depending on the species,
different climate variables (temperature, precipitation, or drought) constitute important
factors driving tree growth across investigated locations (Chapters II and IV). However,
there is evidence that the strength and/or direction of climate-growth responses differ(s)
between microsite types (Chapter II) and across sites (Chapter IV). Moreover, climategrowth
responses are non-stationary over time regardless of the tree species and tree-ring
parameter used in the analysis (Chapters II and IV). There are also differences in RW and
LBI responses to extreme events at dune ridge and bottom microsites (Chapter III).
The regional-scale investigations revealed that climate-growth responses (strength
and non-stationarity) are quite similar to those observed at the local scale. However,
compiling RW or LBI measurements into regional networks to study tree responses to
extreme events led to weakened signals (Chapter III).
The findings presented in Chapters II and IV suggest that the strength, direction,
and non-stationary responses are very likely caused by several climatic and non-climatic
factors. The mild climate in the south Baltic Sea region presumably does not constitute a
leading limiting growth factor, especially for Scots pine, whose distribution extends from
southern to northern Europe. Thus, the observed climate-growth responses are usually of
weak to moderate strength. In contrast, for other species reaching their distribution limit at
the Baltic coast, the climatic signal can be very strong. However, the observed findings also
result from the effects of microsite conditions, and potentially other factors (e.g.,
management, stand dynamic), which all together alter the physiological response of the tree
at a local scale. Although climate at the south Baltic Sea coast is mild, extreme climate events
may occur and affect tree growth. As demonstrated (Chapter III), extreme climate events
affected tree growth across dune sites, however, to varying degrees. The prominent
differences in tree responses to extreme climate events were significant at the local scale but
averaged out at the regional scale. This is very likely associated with observed microsite
differences, where each microsite experiences different drivers and dynamics of extreme
growth reductions.
This dissertation helped to demonstrate that integrating local tree-ring records into
regional networks involves a series of challenges, which arise at different stages of research.
In fact, not all possible challenges have been discussed in this dissertation. However, it can
be summarized that several steps performed first at the local scale are very important for the
quality and certainty of climate-growth responses, tracking tree recovery after extreme
events, and potential climate reconstructions at the larger scale. Among them, identification
of microsite conditions, sample preparation, and measurement, examination of growth
patterns and trends, and identification of a common limiting growth factor are very
important. Otherwise, the compilation of various tree-ring data into a single dataset could
lead to over- or underestimation of the results and biased interpretations.
Stoffflüsse in Makrophytensystemen: Ein Vergleich zwischen Küstenlagunen der südlichen Ostsee
(2017)
In früheren Jahrzehnten verschlechterte sich der ökologischen Zustand von zahlreichen inneren Küstengewässern der Ostsee durch die Eutrophierung, was z. B. zu intensiven Algenblüten führte. Submerse Makrophyten können den ökologischen Zustand von Süßgewässern verbessern, denn sie unterstützen z. B. die Sedimentation von suspendiertem Material und verringern die Resuspension. Zudem reduzieren sie indirekt das Phytoplankton, weil sie Zooplankton einen Prädationsschutz bieten und somit die Beweidung des Phytoplanktons durch das Zooplankton fördern. Es ist möglich, dass diese Rückkopplungsmechanismen in Brackgewässern weniger effektiv sind. Das Zooplankton ist anders zusammengesetzt und beweidet dadurch weniger effektiv das Phytoplankton. Außerdem wird es selbst, innerhalb der Makrophyten, durch bestimmte Fische und Invertebraten gefressen. In der vorliegenden Arbeit, wurden die Interaktionen zwischen submersen Makrophyten und ihrer abiotischen und biotischen Umgebung in zwei verschiedenen Küstengewässern der südlichen Ostsee untersucht: Vitter Bodden (mesotroph, Makrophyten-dominiert) und Darß-Zingster Boddenkette (DZBK, eutroph bis stark eutroph, Phytoplankton-dominiert). Die folgenden Parameter wurden von Juni bis September 2013 (Vitter Bodden) und von März bis November 2014 (DZBK) gemessen: Lichtattenuation, Konzentration von Gesamt-suspendiertem Material (TSM), von Chlorophyll a (Chl a), von Gesamt-Phosphor (TP) und von Gesamt-Stickstoff (TN). Zudem wurden die Verhältnisse TP zu TN und Chl a zu TP bestimmt. Der Beweidungsdruck des Zooplanktons auf das Phytoplankton wurde sowohl für den Tag als auch für die Nacht berechnet, in dem das jeweilige Zooplankton ausgezählt, die Biomasse und die Beweidungsrate berechnet wurde. Im Vitter Bodden wurde die Zusammensetzung der Makrophyten bestimmt, sowie ihr Bedeckungsgrad und ihr Anteil an der Wassersäule (PVI) in einer Wassertiefe <1 m geschätzt. In der DZBK wurde die Biomasse der Makrophyten bis in eine Wassertiefe von 1,9 m bestimmt. Die Tiefenverbreitung der Makrophyten war im Vitter Bodden nicht Licht-limitiert, aber in der DZBK, da sich dort der Hauptanteil der Makrophytenbiomasse nur bis in eine Wassertiefe von 1 m befand. In der DZBK hatte das Phytoplankton einen großen Anteil an der Lichtattenuation und limitierte dadurch vermutlich die Lichtverfügbarkeit nicht nur für die Makrophyten sondern auch für sich selbst. Aufgrund der TN zu TP Verhältnisse war das Phytoplankton in der DZBK P-limitiert, während es im Vitter Bodden durch beide Nährstoffe gleichzeitig limitiert war. Die Beweidung durch das Zooplankton konnte zeitweise vermutlich das Phytoplankton im Vitter Bodden reduzieren, aber nicht in der DZBK. Der Bedeckungsgrad der Makrophyten war hoch, aber sie hatten eine flache Wachstumsform und daher nur einen geringen PVI. Zusammenfassend kann gesagt werden, dass der vermutlich hohe Wasseraustausch mit der Ostsee und der fehlende Eintrag aus Fließgewässern verantwortlich für die hohe Lichtverfügbarkeit im Vitter Bodden sind. Ein möglicher Einfluss der Makrophyten auf Wassertrübung, Nährstoffe, Phytoplankton und Zooplankton wurde vermutlich durch diesen Wasseraustausch maskiert. Im Gegensatz dazu gab es keine Effekte der Makrophyten auf Nährstoffe in der Wassersäule, sowie auf Phytoplankton und Zooplankton in der DZBK, da die Makrophyten nur auf die Randbereiche der Bodden beschränkt sind. Da Sedimentation und Resuspension hauptsächlich die Wassertrübung beeinflussen, wurde in einem weiteren Teil der vorliegenden Arbeit ermittelt, in wie weit Wind-induzierte Wellen die Sedimentationsraten beeinflussen, wenn sie unmittelbar sedimentiertes Material wieder resuspendieren. Zu diesem Zweck wurden zwei verschiedene Sedimentationsfallen verwendet: Zylinderfallen (ZF) und Tellerfallen (TF). Die TF wurden in dieser Studie das erste Mal an einem Wellen-exponiertem Standort verwendet. Sie erlaubten, dass unmittelbar sedimentiertes Material wieder resuspendiert werden konnte, was die ZF nicht konnten. Sedimentationsraten wurden mit beiden Fallentypen in einer Wassertiefe zwischen 0,9 m und 1,6 m bestimmt. Die Wellenexposition wurde berechnet, indem die halbe Oberflächenwellenlänge (λ/2) durch die Wassersäule oberhalb der Fallen (dF) dividiert wurde. Eine hohe Wellenexposition war definiert als (λ/2) / dF >1. Die Sedimentationsraten in beiden Fallentypen waren von der Wellenexposition beeinflusst. Jedoch in gegensätzlicher Weise. Bei hoher Wellenexposition sedimentierte ein geringerer Anteil des TSM pro Stunde auf den TF als bei geringer Wellenexposition, während in den ZF ein größerer Anteil sedimentierte. Daher wurde die Sedimentationsrate bei hoher Wellenexposition mit den ZF überbestimmt. Die verwendeten TF sind ein viel versprechendes Mittel um Sedimentationsraten in flachen, Wellen-exponierten Orten abzuschätzen, denn sie reflektieren den unmittelbaren Einfluss von Wellenbewegungen auf die Sedimentation von suspendiertem Material.