Ecological response of beech and Norway spruce to climate change along an altitudinal gradient (CLIMARBRE): Final report in the FOEN/WSL research program forest and climate change

Abstract

Ziel des CLIMARBRE Projektes war es, für Fichten und Buchen, beides ökonomisch wie auch landschaftlich wichtige Baumarten im Jura, Baumwachstum, Phänologie, Blattmorphologie und Anatomie, sowie die durch Klimawandel verursachten ökophysiologischen Reaktionen zu analysieren. Dabei standen junge Bäume beider Baumarten im Fokus (mittlere Höhe von 33 cm für die Buche, und 31 cm für die Fichte, für ein Alter von 4 bis 8 Jahren), zumal deren Fähigkeit sich unter den veränderten klimatischen Verhältnissen zu etablieren und anzupassen ausschlaggebend ist für die Zukunft der jurassischen Wytweiden-Landschaft und für deren adaptive Bewirtschaftung. Entlang eines Höhengradienten im Kanton Waadt wurde der Klimaeffekt auf den Zuwachs und die Anpassungsfähigkeit von Jungbäumen untersucht. Dafür wurden junge Buchen und Fichten von einem Standort auf 1350 m ü. M zusammen mit Boden ausgegraben und weiter unten auf wärmeren und trockeneren Standorten wieder eingepflanzt (auf 1010, 570 und 395 m ü. M.). Mit diesem Vorgehen konnten in etwa drei Varianten von IPCC Klima Szenarios (A1B und A2) simuliert werden. Die klimatischen Unterschiede zwischen den Standorten beliefen sich bei der Temperatur auf über 6°C und beim Niederschlag auf bis zu 47% (zwischen höchst und tiefst gelegenem Standort) während der Vegetationsperiode. Der unterschiedliche Trockenstress zwischen den verschiedenen Höhen über Meer kann am besten mittels dem VPD (Sättigungsdefizit) zum Ausdruck gebracht werden. Während das Sättigungsdefizit im Jahr 2015 auf allen Höhenstufen hoch war (trocken, zwischen 119 (auf 1350 m ü. M) und 456 Stunden (auf 570 m ü. M) über 1.5 KPa während der Vegetationsperiode), war das Sättigungsdefizit im Jahr 2014 weniger ausgeprägt (zwischen 33 und 92 Stunden über 1.5 KPa) und im Jahre 2013 dazwischenliegend. Bei beiden Baumarten profitierten die verpflanzten Bäume von einem früheren Blattaustrieb im Vergleich zu den Kontrollbäumen auf den Standorten von denen die verpflanzten Bäume stammten (1350 m ü. M). Fichten waren im Austrieb generell 15 Tage später als die Buchen. Verpflanzte Buchen auf den am tiefsten gelegenen Standorten (395 m ü. M.) wiesen zwischen 2013 und 2015 einen signifikant höheren Zuwachs an Biomasse (gemessen mit allometrischen Modellen) auf als die Kontrollbäume (1350 m ü. M.). Das war dies für die Fichten nicht der Fall. Im Jahr der Verpflanzung 2013 und unter Berücksichtigung der Anzahl Wachstumstage in jeder Höhenstufe, produzierten die Buchen nach der Verpflanzung über 1% mehr von ihrer initialen Biomasse pro Tag auf 395 m ü. M als auf 1350 m ü. M., wohingegen junge Fichten 2013 in ihrem Zuwachs keine Auswirkungen des Höhengradienten zeigten. Im Jahr 2014 wuchsen alle verpflanzten Fichten und Buchen stärker als die Kontrollbäume auf 1350 m. Im Jahr 2015, welches durch ein hohes Sättigungsdefizit geprägt war, zeigten alle verpflanzten Bäume auf 395 und auf 570 m ü. M. Wachstumseinbussen gegenüber den Kontrollbäumen auf 1350 m ü. M., mit Ausnahme der verpflanzten Buchen auf 1010 m ü. M. Photosynthesekapazitätsmessungen, welche in den Jahren 2013 und 2014 gemacht wurden, konnten die Unterschiede im Zuwachs der Buchen über den Höhengradienten nicht erklären. Im Gegenteil war die Photosynthesekapazität der verpflanzten Bäume für beide Baumarten kleiner als bei den Kontrollbäumen auf 1350 m ü. M. Bei einer Ernte im 2014 zeigte sich, dass sich die Baumarten in der Biomassenverlagerung unterschieden: die Buchen verfügten über ein stärkeres Wurzelwachstum, während die Fichten mehr Biomasse in das Triebwachstum investierten. In einem gegenseitigen Verpflanzungsexperiment von Buchen zwischen der tiefsten und höchsten Lage (395 und 1350 m ü. M.) wurde der Effekt von wärmeren oder kühleren Wintern auf den Blattaustrieb und die Knospenentwicklung getestet. Es zeigte sich, dass der frühere Austrieb der Bäume im Frühling eine vorzeitige Knospenentwicklung im Herbst nach sich zog. Es kam demnach nicht wie erwartet zu einer Verzögerung der Blattseneszenz im Herbst. Das weist darauf hin, dass die potentielle Verlängerung der Vegetationsperiode durch die Klimaerwärmung kleiner sein könnte als erwartet. De Stickstoffkonzentration in den Blättern stieg nach dem Austrieb bis zu einem Sättigungspunkt (abhängig vom der Höhe ü. M.) an. Während des Alterungsprozesses der Blätter korrelierten Blattfarbe mit Stickstoffkonzentration und Photosynthesekapazität. Obwohl es zwischen Buchen und Fichten wichtige ontogenetische Unterschiede gibt, führte die Verpflanzung auf tiefergelegene Standorte bei beiden Baumarten zu signifikanten Modifikationen der Blattmorphologie, hauptsächlich im Zusammenhang mit dem Temperaturanstieg. Als Reaktion auf die sehr unterschiedlichen Wuchsbedingungen in den Vegetationsperioden 2013 und 2014 fielen auch die Reaktionen der Blattmorphologie auf den Höhengradienten zwischen den Jahren unterschiedlich aus. Insbesondere die verpflanzten Buchen zeigten auf den tiefergelegenen Standorten Blätter mit xeromorphen Charakteristiken. Fichtennadeln weisen generell xeromorphe Züge auf und verfügen über eine gute intrinsische Adaptation an Trockenheit. Trotzdem konnten bei den verpflanzten Fichten morphologische und anatomische Anpassungen der Nadeln beobachtet werden. Die Parameter, die die höchste phänotypische Plastizität entlang des Höhengradienten zeigten, waren für die Buchen die Blattfläche sowie Blattmasse pro Blattfläche und für die Fichten die Nadelquerschnittsfläche und relative Fläche von Harzkanälen. Das mikrobielle C/N Verhältnis nahm für die Buchen mit sinkender Höhe ü. M. zu, während sich dieser Trend für die Fichte nicht abzeichnete. Das weist darauf hin, dass die beiden Baumarten unter Einfluss des Klimawandels den Boden unterschiedlich beeinflussen könnten. In unserem Projekt zeigten sowohl Buchen als auch Fichten durch die Verpflanzung auf tiefergelegene Standorte Anpassungen ihrer Blattmorphologie und Anatomie an die trockeneren Verhältnisse. Die Buchen waren stärker als die Fichten in der Lage, die höhere Temperatur an den tiefergelegenen Standorten für grösseren Zuwachs zu nutzen, ausserdem schränkten sie ihren Zuwachs bei Trockenheit weniger stark ein.