Climatic impact on tree growth and seasonal wood formation along altitudinal gradients on Corsica

Language
en
Document Type
Doctoral Thesis
Issue Date
2023-09-18
Issue Year
2023
Authors
Häusser, Martin
Editor
Abstract

The western Mediterranean is a hotspot for climate change. Trees in this area generally have to face a climate regime with a distinct dry period in summer, which is projected to intensify in the coming years. It is essential to understand how tree growth and seasonal wood formation are affected by climatic parameters in the past and today to anticipate how tree growth will change in the future. The mountainous island of Corsica constitutes an excellent study area to research tree growth on an elevation gradient: Its ridges reach above the upper tree line on a rela-tively small area. Furthermore, extensive pine forests envelop large parts of the island. Pinus is the only tree genus that is distributed from the Mediterranean conditions at sea level up to subalpine climate conditions. The two native species Pinus pinaster (low elevation) and Pinus nigra subsp. laricio (high elevation) cover the island with an over-lapping area in mid-elevation. It is not yet fully understood how tree growth and its climatic control factors vary along an altitudinal gradient of this magnitude. Corsican pines allow for an investigation of a comprehensive climatological spectrum and facilitate growth comparisons within. This PhD thesis is part of the DFG-project bundle “CorsicArchive - Altitudinal Gradients and Forest Response: Climate, Hydrology and Isotope Variability of a Mediterranean Ecosystem”. The dendroecological subproject (summarised by this thesis) aims to find out how the growth of Corsican pines changed over the past centuries, how the climatic drivers vary across the elevation gradient, and how seasonal wood formation is affected by climate and altitude. A multiparameter approach allowed for the investigation of climate-growth relations on annual and intraannual resolution: Ring-width-based growth trajectories were established for 239 trees; electronical band dendrometers constantly monitored the stem circumference variations of 36 individuals during a remarkably dry 2017 and wet year (2018); and xylogenesis of 35 pines was analysed for a period of three years (2017-2019) and modelled. The ring-width chronologies revealed generally higher long-term correlations of radial growth with precipitation in low elevations and with temperature in high elevations. Furthermore, the growth trajectories in different age classes indicated that predicted future climate conditions might shift the distribution ranges of both pine species further upward. The temporal high-resolution measurements of the dendrometers revealed that the trees at high elevations sustained higher tree-water deficits than trees in low elevations in the exceptionally dry year 2017. The positive correlations between growth and precipitation and tree-water deficit and temperature imply that high evapotranspira-tion led to the interruption of growth and stem circumferential shrinking across the island. A novel integration of large-scale synoptic regimes showed that a majority of growth in the dry year occurred during relatively rare weather patterns. The generalised additive models of tracheid cell differentiation phases unveiled that the growing season begins with a one-month offset between the high, middle, and low elevation bands. Temperature is driving the onset of growth in spring, but the fact that the trees cease growth simultaneously indicates that a combination of different climatic parameters is responsible for growth cessation. Under the same site conditions, P. nigra grows more during a shorter time than P. pinaster. The faster growth points towards a lower wood density, which would make the trees more vulnerable to mechanical stress. This result, combined with the finding that P. nigra is slowly superseded by P. pinaster in mid-elevations, suggests that the distribution of P. nigra will decline in the future. The final section of this thesis combines and compares several methods for detecting seasonal wood formation. All methods for identifying intraannual growth detection have strengths and weaknesses; a complete picture is only given by a combination of methods. This thesis improves the knowledge of inter- and intraannual growth of a widespread tree genus and how climatic impacts vary along an altitudinal gradient from Mediter-ranean to subalpine conditions. The findings can serve as a data basis for future growth models but can also support regional decision-makers and forest managers by revealing past and present climate-growth relations to prepare for future climate change.

Abstract

Der westliche Mittelmeerraum ist ein Brennpunkt des Klimawandels. Bäume in diesem Gebiet sind generell mit einer ausgeprägten Trockenperiode im Sommer kon-frontiert, für die eine Intensivierung in den kommenden Jahren prognsotiziert ist. Um eine Veränderung von zukünftigem Baumwachstum vorhersehen zu können, ist es von entscheidender Bedeutung, zu verstehen, wie Baumwachstum und saisonale Holzbildung heute und in der Vergangenheit durch klimatische Parameter beeinflusst werden und wurden. Die gebirgige Insel Korsika stellt ein hervorragendes Untersuchungsgebiet dar, um das Wachstum von Bäumen entlang eines Höhengradienten zu erforschen: ihre Berge reichen auf relativ kleiner Fläche über die obere Waldgrenze hinaus. Außerdem bedecken weitläufige Kiefernwälder große Teile der Insel. Pinus ist die einzige Baumgattung, die von den mediterranen Klimabedingungen auf Meerespiegelhöhe hinauf bis zu subalpinen klimatischen Bedingungen verbreitet ist. Die beiden heimischen Arten Pinus pinaster (niedrige Höhenlagen) und Pinus nigra subsp. laricio (hohe Höhenlagen) kommen auf der Insel mit einem sich überschneidenden Bereich in mittleren Höhenlagen vor. Es ist jedoch bislang noch nicht geklärt, wie sich Baumwachstum und die zugrundeliegenden klimatischen Einflüsse entlang eines Hö-hengradienten dieses Ausmaßes unterscheiden. Die korsischen Kiefern ermöglichen die Untersuchung eines umfassenden klimatologischen Spektrums und erleichtern Wachstumsvergleiche innerhalb dessen. Die vorliegende Dissertation ist Teil des DFG-Projektpakets CorsicArchive - Altitudinal Gradients and Forest Response: Climate, Hydrology and Isotope Variability of a Mediterranean Ecosystem“ bzw. „Klima, Hydrologie und Isotopenvariabilität in einem mediterranen Ökosystem. Das dendroökologische Teilprojekt (zusammengefasst in dieser Arbeit) zielt darauf ab, herauszufinden, wie sich das Wachstum der korsischen Kiefern in den vergangenen Jahrhunderten verändert hat, wie die klimatischen Faktoren entlang des Höhengradienten variieren und wie die saisonale Holzbildung durch Klima und Höhe über dem Meeresspiegel beeinflusst wird. Ein multiparametrischer Ansatz ermöglichte die Untersuchung der Klima-Wachstums-Beziehungen auf jährlicher Ebene und innerhalb eines Jahres: für 239 Bäume wurden ringbreitenbasierte Wachstumschronologien erstellt; mit elektronischen Banddendrometern wurden die Stammumfangsschwankungen von 36 Individuen während des außergewöhnlich trockenen Jahres 2017 und eines feuchten Jahres 2018 kontinuierlich überwacht. Des Weiteren wurde die Xylogenese von 35 Kiefern über einen Zeitraum von drei Jahren (2017-2019) analysiert und modelliert. Die Ringbreiten-Chronologien zeigten, dass das langfristige Wachstum im Allgemei-nen in tiefen Lagen stärker mit dem Niederschlag und in hohen Lagen mit der Temperatur korreliert. Darüber hinaus deuteten die Wachstumsverläufe (growth trajectories) in verschiedenen Altersklassen darauf hin, dass die prognostizierten künftigen Klimabedingungen die Verbreitungsgebiete der beiden Kiefernarten in höhere Lagen verschieben könnten. Die zeitlich hochaufgelösten Messungen der Dendrometer entlang eines Transekts von Ost- zu Westküste zeigten, dass die Bäume in hohen Lagen im außergewöhnlich trockenen Jahr 2017 höhere Baumwasserdefizite aufwiesen als Bäume in tiefen Lagen. Aus den positiven Korrelationen zwischen Wachstum und Niederschlag sowie zwischen Baumwasserdefizit (tree-water deficit) und Temperatur lässt sich schließen, dass hohe Evapotranspiration zu einer Unterbrechung des Wachstums und einer Schrumpfung der Stammumfänge führte. Die erstmalige Einbindung von Großwetterlagen zeigte, dass im Trockenjahr der Großteil des Wachstums während relativ selterner Großwetterlagen auftrat. Verallgemeinerte additive Modelle (genaralized additive models) von Tracheidenzell-phasen enthüllten, dass die Wachstumssaison mit einem Versatz von jeweils einem Monat zwischen dem hohen, dem mittleren und dem niedrigen Höhengürtel beginnt. Die Temperatur iniziiert den Wachstumsbeginn, aber die Tatsache, dass die Bäume das Wachstum gleichzeitig einstellen, deutet darauf hin, dass dafür eine Kombination verschiedener klimatischer Parameter verantwortlich ist. Unter gleichen Standortbedingungen wächst P. nigra in kürzerer Zeit stärker als P. pinaster. Das schnellere Wachstum weist auf eine geringere Holzdichte hin, was die Bäume anfälliger für mechanische Belastungen machen würde. Dieses Ergebnis in Verbindung mit der Feststellung, dass P. nigra in mittleren Höhenlagen allmählich von P.pinaster verdrängt wird, lässt vermuten, dass die Verbreitung von P. nigra inZukunft zurückgehen wird. Im letzten Abschnitt dieser Arbeit werden mehrere Methoden zur Erfassung der saisonalen Holzbildung kombiniert und verglichen. Alle Methoden zur Identifikation intraanuellen Wachstums haben Stärken und Schwächen; ein vollständiges Bild ergibt sich nur aus einer Kombination unterschiedlicher Methoden. Diese Dissertation trägt entscheidend zum Wissen über das inter- und intraannuelle Wachstum einer weit verbreiteten Baumgattung bei und darüber, wie die klimatischen Einflüsse entlang eines Höhengradienten von mediterranen zu subalpinen Bedingun-gen variieren. Die Ergebnisse können als Datengrundlage für künftige Wachstumsmodelle dienen, aber auch Entscheidungsträger und Waldbewirtschafter unterstützen, sich auf künftige Klimaänderungen vorzubereiten, indem sie vergangene und aktuelle Klima-Wachstums-Beziehungen aufzeigen.

DOI
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