Forest response to climate warming and drought in Europe

Titelangaben

Beloiu, Mirela:
Forest response to climate warming and drought in Europe.
Bayreuth , 2022 . - V, 247 S.
( Dissertation, 2022 , Universität Bayreuth, Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften)

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Abstract

Global surface temperature is rising at an alarming rate. The combined forces of global warming and drought are threatening ecosystems around the world. In recent years, the Northern Hemisphere has been hit by a combination of drought and heatwave - with devastating environmental and economic consequences. These disasters, which were once considered purely rare events, have increased significantly in frequency, intensity, and duration in recent years. Forests are of great ecological and economic importance for the proper functioning of natural and human systems. Hence, forest observed susceptibility to increasing warming and droughts is of great concern. Given that the future of forests is uncertain, there is an urgent need to assess forest response to these pressing climate change issues. This dissertation aims to expand current understanding and knowledge of forest response to climate warming and drought. To achieve this aim, this dissertation focuses on two major objectives (1) to investigate species dynamics under climate change and (2) to assess the impacts of drought on saplings and mature tree species in Europe. Through empirical research and the application of various methodological approaches, I seek to provide international leaders, forest managers, and practitioners with practical information to support their decision-making, policies, and actions. High temperatures and altered precipitation patterns are expected to lead to shifts in climate zones and thus large-scale shifts in vegetation. As a result, species ranges are expected to shift to higher elevations or higher latitudes as their climatic optimum shifts. Yet trees that cannot cope with these changes risk being affected by climate change-induced stress. Despite extensive research, it is still unclear whether tree species can cope with global warming. An ideal model system to answer these questions is represented by mountain treelines. Mountain treelines are considered sensors of climate change, meaning that they are expected to respond quickly to climatic warming. Therefore, in Manuscripts 1 and 2, I contribute to the current understanding of how tree species cope with climate warming by researching tree populations from remote mountain regions. In Manuscript 1, I investigated treeline dynamics based on in-situ measurements of Swiss stone pine (Pinus cembra L.) trees from two different protected areas in the Carpathian Mountains. Using spatial statistics, similarities and differences in the spatial structure were identified between the two Pinus cembra populations. In Manuscript 2, I assessed treeline dynamics in the Samaria National Park, on the semi-arid Mediterranean island of Crete. Using historical and recent high-resolution aerial imagery, I assessed the spatio-temporal tree dynamics over the past 70 years. In contrast to the Carpathians, where results indicated a shift of trees to higher elevations in the area protected since 1935, no shift of trees was observed in the Crete Mountains. Accordingly, the absence of climate-driven migration should raise concerns about the threats associated with future warming, drought stress, and wildfire. Therefore, conservation managers should consider options and needs to support adaptive management. In addition to vegetation shifts, climate warming and drought periods are directly affecting the forest ecosystems of Europe. The current forests were established in the much colder climate of the 18th and 19th centuries, while the current seedlings and saplings are established in warmer conditions. Hence, germination and establishment took place under different climatic conditions. Evidence suggests that the increase in frequency and intensity of droughts will lead to abrupt changes in species composition and forest functioning. To assess species-specific responses to drought, European temperate forests are regarded as an optimal ecosystem due to their high susceptibility to drought compared to other temperate forest ecosystems. Thus, in Manuscripts 3 and 4, I presented a comprehensive quantification of the impact of the 2018 and 2019 summer drought on sapling species in temperate forests. The results suggested that drought damaged trees regardless of size, but saplings recovered faster than mature trees. Moreover, slow sapling recovery led to their mortality. Mortality increased from Quercus spp. to minor broadleaved species (e.g., pedunculate oak (Quercus robur) (0%), sessile oak (Quercus petraea) (4%), sycamore (Acer pseudoplatanus) (5%), European beech (Fagus sylvatica) (6%), silver birch (Betula pendula) (6%), European hornbeam (Carpinus betulus) (8%), field maple (Acer campestre) (12%), ash (Fraxinus excelsior) (12%), elder (Sambucus nigra) (16%), and rowan (Sorbus aucuparia) (17%)). Species-specific responses to drought are key to understanding which species are more capable of coping with climate warming and anticipated drought events. These results are essential for developing and implementing adaptive forest management strategies to mitigate the impacts of climate change. This dissertation provides one of the first assessments of tree dynamics in the remote protected areas of the Carpathians and Crete Mountains, along with a comprehensive quantification of species-specific response to drought in Central Europe. Hence, these four studies provide conservationists, forest managers, stakeholders, and private property owners with practical information on tree dynamics and species-species response to climate warming and drought.

Abstract in weiterer Sprache

Die globale Oberflächentemperatur der Erde steigt mit einer alarmierenden Geschwindigkeit an und globale Erwärmung und Dürre in Kombination bedrohen Ökosysteme weltweit. In den letzten Jahren wurde die nördliche Hemisphäre von Dürre und Hitzewelle heimgesucht - mit verheerenden ökologischen und wirtschaftlichen Folgen. Diese Katastrophen, die einst als seltene Ereignisse angesehen wurden, haben in den letzten Jahren in Häufigkeit, Intensität und Dauer deutlich zugenommen. Wälder sind von großer ökologischer und wirtschaftlicher Bedeutung für das reibungslose Funktionieren natürlicher und anthropogener Systeme. Daher ist die beobachtete Anfälligkeit der Wälder für die zunehmende Erwärmung und Dürren sehr besorgniserregend. Es besteht ein dringender Bedarf, die Beeinflussung der Wälder durch den Klimawandel zu untersuchen. Diese Doktorarbeit zielt darauf ab, das aktuelle Verständnis und Wissen über die Veränderung von Wäldern als Reaktion auf Klimaerwärmung und Trockenheit zu erweitern. Um dieses Ziel zu erreichen, fokussiert sich diese Doktorarbeit auf zwei Hauptpunkte: (1) die Untersuchung von Artendynamiken unter dem Klimawandel und (2) die Bewertung der Auswirkungen von Trockenheit auf Jungbäume und ausgewachsene Bäume verschiedener Baumarten in Europa. Durch empirische Forschung und die Anwendung verschiedener methodischer Ansätze trage ich dazu bei, internationale Führungskräfte, Forstmanager und -praktiker mit konkreten Informationen zu versorgen, um ihre Entscheidungsfindung, Politik und Schutzmaßnahmen zu unterstützen. Hohe Temperaturen und veränderte Niederschlagsmuster werden voraussichtlich zu Veränderung der Klimazonen und damit zu großräumigen Verschiebungen der Vegetationszusammensetzung führen. Daher ist zu erwarten, dass sich die Verbreitungsgebiete von Arten in höhere Lagen oder höhere Breitengrade verlagern, wenn sich ihr klimatisches Optimum räumlich verschiebt. Nicht alle Baumarten können jedoch mit diesen Veränderungen Schritt halten, und werden unter Adaptionsdruck gesetzt, was Anpassungsstress verursacht. Trotz intensiver Forschung ist immer noch unklar, wie Baumarten auf die globale Erwärmung reagieren. Baumgrenzen stellen ein ideales Modellsystem zur Beantwortung dieser Fragen dar. Baumgrenzen gelten als Sensoren für den Klimawandel, weil zu erwarten ist, dass sie relativ schnell auf ein sich erwärmendes Klima reagieren. Aus diesem Grund möchte ich in den Manuskripten 1 und 2 einen Beitrag zum aktuellen Verständnis leisten, wie Baumarten auf die Klimaerwärmung reagieren, indem ich Untersuchungen an Baumpopulationen von entlegenen Gebirgsregionen in Europa durchführe. In Manuskript 1 untersuchte ich die Baumgrenzen-Dynamik anhand von in-situ-Messungen an Zirbelkiefer (Pinus cembra L.) in zwei verschiedenen Schutzgebieten in den Karpaten. Mit Hilfe von räumlicher Statistik wurden Ähnlichkeiten und Unterschiede in der räumlichen Struktur zwischen den beiden Pinus cembra-Populationen ermittelt. In Manuskript 2 beurteilte ich die Baumgrenzen-Dynamik im Samaria-Nationalpark auf der semiariden Mittelmeerinsel von Kreta. Durch die Verwendung historischer und aktueller hochauflösender Luftbilder konnte ich die räumlich-zeitliche Baumdynamik der letzten 70 Jahre analysieren. Im Gegensatz zu den Karpaten, wo die Ergebnisse auf eine Verschiebung von Bäumen in höhere Lagen in dem seit 1935 geschützten Gebiet hindeuteten, wurde in den Bergen auf Kreta keine Verschiebung der Baumgrenze beobachtet. Dementsprechend gibt das Ausbleiben der klimabedingten Migration Anlass zur Sorge über die Bedrohung durch zukünftige Erwärmung, Trockenstress und Waldbrände. Daher sollten Naturschutzmanager Optionen und Strategien zur Unterstützung des adaptiven Managements in Erwägung ziehen. Neben Vegetationsverschiebungen wirken sich Klimaerwärmung und Dürreereignisse direkt auf die Waldökosysteme in Europa aus. Die derzeitigen Forsten wurden im viel kälteren Klima des 18. und 19. Jahrhunderts angelegt, während heutige Sämlinge und Setzlinge unter wärmeren Bedingungen etabliert werden. Daher fanden Keimung und Etablierung unter unterschiedlichen klimatischen Bedingungen statt. Es ist nachgewiesen, dass eine Zunahme der Häufigkeit und Intensität von Dürren zu abrupten Veränderungen der Artenzusammensetzung und der Waldfunktionen führen kann. Zur Beurteilung der artenspezifischen Reaktionen auf Trockenheit werden europäische Wälder der gemäßigten Zonen als optimales Ökosystem betrachtet, da sie im Vergleich zu anderen Ökosystemen der gemäßigten Zonen sehr empfindlich auf Trockenstress reagieren. Daher habe ich in den Manuskripten 3 und 4 eine umfassende Quantifizierung der Auswirkungen der Sommerdürren im Jahr 2018 und 2019 auf Jungbäume in gemäßigten Wäldern vorgenommen. Die Ergebnisse zeigen, dass Dürre den Bäumen unabhängig von ihrer Größe schadet, sich Jungbäume aber schneller erholten als ältere Bäume. Gleichzeitig führte jedoch die langsame Regeneration der Jungbäume auch teilweise zu deren Absterben. Die Sterblichkeitsrate von Quercus spp. war am niedrigsten während kleinere Laubbaumarten die höchsten Raten aufwiesen (z.B., Stieleiche (Quercus robur) (0%), Traubeneiche (Quercus petraea) (4%), Berg-Ahorn (Acer pseudoplatanus) (5%), Rotbuche (Fagus sylvatica) (6%), Hänge-Birke (Betula pendula) (6%), Hainbuche (Carpinus betulus) (8%), Feldahorn (Acer campestre) (12%), Gemeine Esche (Fraxinus excelsior) (12%), Schwarzer Holunder (Sambucus nigra) (16%), and Vogelbeere (Sorbus aucuparia) (17%)). Artspezifische Reaktionen auf Trockenheit sind der Schlüssel zum Verständnis, welche Arten besser in der Lage sind, mit der Klimaerwärmung und den zu erwartenden Dürreereignissen umzugehen. Diese Ergebnisse sind wichtig für die Entwicklung und Umsetzung von adaptiven Waldbewirtschaftungsstrategien, um die Auswirkungen des Klimawandels zu mildern. Diese Dissertation enthält eine der ersten Abschätzungen der Baumdynamik in den abgelegenen Schutzgebieten der Karpaten und der Gebirge auf Kreta, zusammen mit einer umfassenden Quantifizierung der artspezifischen Reaktion auf Trockenheit in Mitteleuropa. Daher bieten diese vier Studien Naturschützern, Waldmanagern, Interessensvertretern und privaten Grundbesitzern angewandte Informationen zu Baumdynamik und Reaktion von Arten auf Klimaerwärmung und Trockenheit.