Investigations on the influence of the climate on growth of the main tree species in Germany

Seit dem 20. Jahrhundert verändert sich das globale Klima in einer bislang nicht gekannten Geschwindigkeit. Für Mitteleuropa bedeutet dieser Wandel eine stetige Zunahme der mittleren Jahrestemperaturen, veränderte Niederschlagsverhältnisse sowie eine zunehmende Frequenz und Intensivierung von Witterungsextremen wie Hitzewellen und Dürreperioden. Dadurch verschieben sich auch die ökologischen Rahmenbedingungen für unsere Wälder. Vielerorts sind die Reaktionen auf den Klimawandel bereits erkennbar. Sie reichen von regionalen Produktionsrückgängen und Vitalitätsverlusten über Verschiebungen in der Artenzusammensetzung bis hin zum großflächigen Absterben von Bäumen. Um die ökologischen, wirtschaftlichen und soziokulturellen Funktionen der Wälder zu erhalten und Lösungen für einen an die Veränderungen angepassten Waldumbau zu finden, ist es erforderlich die Prozesse des Klimawandels in den Wäldern zu verstehen. In den vergangenen Jahren haben zahlreiche Studien dieses Phänomen mit unterschiedlichen Ansätzen untersucht. Häufig beziehen sich diese Studien auf lokale Gebiete oder berücksichtigen aufgrund des hohen Aufwands nur wenige Bäume. Die drei Bundeswaldinventuren von 1986-1989 (BWI1), 2001-2002 (BWI2) und 2011-2012 (BWI3) liefern einen umfassenden Datensatz für das gesamte Bundesgebiet über einen Zeitraum von über 25 Jahren. Bislang wurden diese Daten zur Analyse von klimabedingten Wachstumsuntersuchungen jedoch noch wenig genutzt. Ziel dieser Arbeit war es herauszufinden, ob Waldinventurdaten ein geeignetes Medium darstellen, um klimabedingte Zuwachsreaktionen für die Hauptwirtschafts-baumarten Gemeine Fichte (Picea abies, (L.) H.Karst.), Rot-Buche (Fagus sylvatica, L.), Wald-Kiefer (Pinus sylvestris, L.), Trauben-Eiche (Quercus petraea, L.), Stiel-Eiche (Quercus robur, L.) und Weiß-Tanne (Abies alba, Mill.) abzuleiten, anhand derer praktikable Aussagen bezüglich ihres Anbaurisikos und der Zukunftssicherheit getroffen werden können. Für die Zuwachsanalysen diente der jährliche Durchmesserzuwachs als Proxy für die Beurteilung der Klimasensitivität. Die Berechnungen erfolgten auf Basis der Erhebungen der drei Bundeswaldinventuren für jeweils zwei Zuwachsperioden (P1: 1986-2001, P2: 2003- 2011). Das Untersuchungsgebiet bezog sich auf die alten Bundesländer in Deutschland, da zum Zeitpunkt der BWI1 keine Inventurdaten für die Neuen Bundesländer vorlagen. Als Klimafaktoren wurden Mitteltemperatur (°C), Niederschlagssumme (mm) und de Martonne Index (dMI) für die forstliche Vegetationsperiode (IV-IX) verwendet. Auf Grundlage des de Martonne Index wurde ein weiterer Klimaindex, die relative Häufigkeit von Trockenmonaten (rHTM) abgeleitet. Dieser Klimaindex berücksichtigt zusätzlich saisonale Klimaaspekte. Der Index basiert auf der Anzahl der Trockenmonate (dMI <20) während der drei Untersuchungsperioden. Der Ansatz verfolgte eine allgemeine Analyse der klimabedingten Zuwachsreaktion sowie eine räumliche Betrachtung dieser Beziehung. Neben den oben genannten Klimavariablen wurden weitere standörtliche und strukturelle Faktoren wie Hangneigung, nutzbare Feldkapazität des effektiven Wurzelraumes und Baumalter in die Untersuchungen einbezogen. Die Klimaveränderungen der beiden Zuwachsperioden bezogen sich auf einen fünfzehn jährigen Referenzzeitraum vor der ersten Waldinventur (P0 1971-1985). Auf den Trakten aller sechs Hautbaumarten war eine Zunahme der Temperatur von 0.6 °C pro Zuwachsperiode im Vergleich zur Periode vor den Inventuren (1971 bis 1985) zu beobachten. Die Veränderung betraf nahezu das komplette Untersuchungsgebiet. Der Niederschlag nahm über den Untersuchungszeitraum nur geringfügig zu. Allerdings war die Niederschlagsverteilung in den Perioden sehr heterogen. Auch der de Martonne Index veränderte sich auf den meisten Standorten nur wenig. Der für trockenheitssensitive Arten kritische Wert von 25 wurde nur an drei Standorten unterschritten. Die relative Häufigkeit von Trockenmonaten hatte eine größere Dynamik als die vorhergehenden Klimafaktoren. Von P0 zu P1 wurde es für die meisten Bäume zunächst feuchter und von P1 zu P2 nahm die Häufigkeit der Trockenmonate wieder zu. Auch die Häufigkeit trockener Monate zeigte eine räumlich heterogene Verteilung. Der Vergleich der Durchmesserzuwächse beider Zuwachsperioden (P1 und P2) ergab, dass bei allen Baumarten, außer bei Trauben-Eiche, der Durchmesserzuwachs in P1 höher war als in P2. Bei der Analyse der Beziehung von Klima und Durchmesserzuwachs konnten für die sechs Hauptbaumarten artspezifische Zuwachsmuster gefunden werden. Die ZuwachsKlimahüllen für Niederschlag und Temperatur zeigten für Gemeine Fichte und Weiß- Tanne unterschiedliche Zuwachsmuster in beiden Zuwachsperioden, während die übrigen vier Hauptbaumarten in beiden Perioden ein ähnliches Zuwachsmuster aufwiesen. RotBuche und Trauben-Eiche hatten ihr Zuwachsoptimum bei mittleren Niederschlägen zwischen 400 und 600 mm in der Vegetationsperiode und oberhalb von 14.5 °C. WaldKiefer und Stiel-Eiche zeigten auch bei Niederschlägen unterhalb von 400 mm hohe Zuwächse. Bei Gemeiner Fichte war kein spezifischer Zuwachstrend erkennbar. Bei der Weißtanne führten Temperaturen oberhalb von 15 °C zu reduziertem Zuwachs. Dieser Trend wurde durch den Vergleich der Zuwächse von fünf Ariditätsklassen (sehr seltene, seltene, mittlere, häufige und sehr häufige relative Häufigkeit von Trockenmonaten (rHTM)) bestätigt. In 8 von 12 Fällen fiel der durchschnittliche Zuwachs in den Kategorien häufige und sehr häufige Anzahl von Trockenmonaten höher aus als der durchschnittliche Zuwachs. Der Zuwachs in den Kategorien geringe und sehr geringe Trockenmonate war in den meisten Fällen unterdurchschnittlich. Dies lässt sich dadurch begründen, dass diese Ariditätsklassen meist in den höheren Gebirgslagen auftraten, wo Strahlung und Temperatur geringer sind als in Tieflagen. Um räumliche Aspekte der Klima-Zuwachsbeziehungen zu berücksichtigen, wurden mittels räumlicher Clusteranalysen Gebiete mit ähnlichen Zuwachsverhalten lokalisiert und hinsichtlich ihrer klimatischen Einflüsse untersucht. Die räumliche Clusteranalyse ergab für über 50% der Einzelbäume keine Clusterung in Bezug auf den Zuwachs. Das heißt, dass in den meisten Regionen die Zuwächse der Einzelbäume sehr stark variierten und kein räumliches Muster abgeleitet werden konnte. Für die andere Hälfte der Individuen lag eine räumliche Clusterung hoher und niedriger Zuwächse zu etwa gleichen Anteilen vor. Die Cluster mit hohen Zuwächsen (HighCluster) waren vor allem in Gebieten mit feucht warmen Klima zu finden. Während die Zuwächse in feucht kühlen Hochlagen oft geringer ausfielen (LowCluster). Bei Gemeiner Fichte, RotBuche und Weiß-Tanne konnte regional eine Zuwachsreduktion bei zunehmenden Temperaturen und Trockenheit beobachtet werden, während bei Wald-Kiefer und beiden Eichenarten geringe klimabedingte Veränderungen auftraten. Neben klimatischen Faktoren spielt auch das Wasserspeichervermögen des Bodens eine wichtige Rolle für das Wachstum. Bei häufiger Trockenheit (rHTM>40%) reagierten Gemeine Fichte, Rot-Buche, Trauben-Eiche und Weiß-Tanne auf Standorten mit sehr geringer nutzbarer Feldkapazität des effektiven Wurzelraumes (<50 mm) mit vermindertem Zuwachs im Vergleich zu Böden mit besser Wasserspeicherkapazität. WaldKiefer und Stiel-Eiche zeigten auf Böden geringer Feldkapazität höheres Wachstum. Bei mittlerer Trockenheit (30 %> rHTM <40 %) hatte die nutzbare Feldkapazität des effektiven Wurzelraumes keinen Einfluss auf ihren Zuwachs. Anhand von multifaktoriellen Analysen wurden weitere ökologische und standörtliche Faktoren identifiziert, wodurch die Bedeutung des Klimas für den Zuwachs besser eingeschätzt werden konnte. Hierfür wurden geographisch gewichtete Regressionen verwendet, die zusätzlich zu den Eingangsfaktoren auch räumliche Aspekte berücksichtigten. Die geographisch gewichteten Regressionen zeigten, dass insbesondere die Faktoren Alter, Ausgangs-BHD und Bestandesgrundfläche (Konkurrenz) den Zuwachs beeinflussten. Von den Klimavariablen hatte die Temperatur den größten Anteil als erklärende Variable. Sie war bei 54% der Modelle von Relevanz. Danach folgte Niederschlag mit 38%. Die relative Häufigkeit von Trockenmonaten kam in 23% der Modelle als erklärende Variable vor. Bei der Bewertung der Ergebnisse ist zu berücksichtigen, dass zwar baumartenspezifische Muster gefunden wurden, die auf klimabedingte Zuwachsreaktionen hindeuten, häufig kein statistischer Zusammenhang für die Klima-Zuwachsbeziehung gefunden wurde. Eine der Ursachen für die geringe Prognosegüte ist auch dadurch zu begründen, dass der Durchmesserzuwachs aus zwei Durchmesserwerten berechnet wurde, die in einen mehrjährigen Abstand von 11 bis 15 Jahren gemessen wurden. Zuwachsreaktionen der Bäume in Jahren mit extremen Witterungsbedingungen konnten dadurch nicht abgebildet werden, obwohl sich gerade auch in der jüngsten Vergangenheit gezeigt hat, dass extreme Situationen den Zuwachs und die Vitalität direkter und intensiver beeinflussen können als stetige Veränderungen. Somit sind die Zuwachsdaten der Waldinventuren aufgrund der langen Zeitintervalle nur bedingt geeignet, um klimabedingte Zuwachsreaktionen abzuleiten. Die Ergebnisse der multifaktoriellen Analysen deuten darauf hin, dass die Berücksichtigung weiterer Faktoren wie zum Beispiel Konkurrenz zu einer Verbesserung der Prognosen führen kann.Since the 20th century, the global climate is changing at an unprecedented rate. For Central Europe, this change means an increase in average annual temperatures, changing precipitation conditions and an increase of weather extremes like heat waves and droughts. Climate change also alters the ecological site-conditions of forests. In many areas, effects of climate change are already recognizable. They range from regional declines in productivity and loss of vitality to shifts in species composition and large-scale tree mortality. In order to preserve the ecological, socio-cultural and economic functions of forests it is necessary to understand the processes of climate change. In recent years, numerous studies have investigated this phenomenon with different approaches. Often, these studies are conducted on smaller regional scale, due to the high costs, or only considered a limited number of trees. The three German national forest inventories contain a comprehensive dataset for the entire federal territory and for a period of more than 25 years. So far, however, these data have still been rarely used to analyze climate-induced growth. The aim of this work was to find out to what extent forest inventory data are suitable to describe climate-related growth reactions for the main economic tree species Norway spruce (Picea abies, (L.) H. Karst.), European beech (Fagus sylvatica, L.), Scots pine (Pinus sylvestris, L.), sessile oak (Quercus petraea, L.), pedunculate oak (Quercus robur, L.) and silver fir (Abies alba, Mill.). The annual diameter increment served as proxy for the assessment of climate sensitivity. The analysis was based on the data of the three German National Forest Inventories (BWI1: 1986-1989, BWI2: 2001-2002, BWI3: 2011-2012) for two incremental periods each (P1: 1986-2002, P2: 2003-2011). The analysis was restricted to the old federal states of Germany, since no data was collected in the new federal stats during the first inventory1. Mean temperature (°C), precipitation sum (mm) and the de Martonne index (dMI) for the forest vegetation period (IV-IX) were used as the descriptive climate variables. Another climate index, the the relative frequency of dry months (rHTM), was derived On the basis of the de Martonne index. This index took seasonal climatic aspects into account. It was based on the number of dry months (dMI <20) during the three study periods. The approach followed a general analysis of climate-induced growth reaction as including spatial analysis of this relationship. In addition to the climate, other site-specific and ecological factors were included in the analysis. The climatic changes of the two growth periods were related to a 15-year period before the first forest inventory (P0 1971-1985). For all six tree species, an increase in temperature of 0.6 °C per incremental period (P1 and P2) was observed compared to the pre-inventory period (1971 to 1985). Almost the entire study area was affected by this change in temperature. The precipitation slightly increased over the investigation period. However, the distribution of precipitation in the growing season was very heterogeneous. Also, the de Martonne index changed only slightly in most locations. The values fell below the threshold of 25, considered to be critical for drought-sensitive species, at three sites. The relative frequency of dry months had greater dynamics than the previous climatic factors. From P0 to P1 it became moister for most trees and from P1 to P2 the frequency of the dry months increased again. The frequency of dry months also showed a spatially heterogeneous distribution. The analysis of climatic growth relationships revealed species-specific growth patterns for the six main tree species. The climatic envelopes for precipitation and temperature showed different growth patterns for Norway spruce and Silver fir in the two incremental periods, while the other four tree species showed a similar growth pattern in both periods. European beech and sessile oak had their growth optimum on sites with an average precipitation sum between 400 and 600 mm and mean temperatures above 14.5°C during the growing season. Scots pine and pedunculate oak had high diameter increments even at precipitation sums below 400 mm. No specific trend could be found for spruce. For the silver fir, temperatures above 15°C resulted in reduced growth. These trends were confirmed by comparing the increases of five aridity classes (very rare, rare, medium, frequent and very frequent number of dry months (rHTM) with average increment of each tree species. In 8 of 12 cases, the average increment in the categories frequent and very frequent number of dry months was higher than the average increase. However, the increase in very frequent drought was lower than in frequent drought. The increase in the categories low and very low dry months was below average in most cases, which was due to the fact that these arid classes mostly occurred in the higher mountain ranges where radiation and temperature are lower than in low altitudes. In order to consider spatial aspects of the climatic growth relationships, areas with similar growth behavior were localized by means of a spatial cluster analysis and examined with regard to their climatic influences. Spatial cluster analysis showed no clustering in terms of growth for over 50% of the single trees. This means that in most regions, the growth of individual trees varies greatly, that there was no spatial pattern. For the other half of the individuals, spatial clustering of high and low growth was roughly equal. The high-growth clusters were found mainly in wet,warm conditions. While clusters with low increment occurred especially in mid and high altitudes with more humid and cool conditions. For Norway spruce, European beech and silver fir, increasing temperatures and drought led to a reduction in diameter increment between the two growth periods. While Scots pine and both oak species showed little growth response to climate changes. In addition to climatic factors, the water storage capacity of soils is also important for tree growth. With frequent aridity (rHTM> 40%), Norway spruce, European beech, sessile oak and silver fir showed reduced growth response at sites with very low field capacity compared to soils with better water storage capacity. Scots pine and pedunculate oak showed higher diameter increment on these soils. At a medium frequency of drought events (40% 30%), the field capacity in the effective root zone had no impact on diameter increment. Multifactorial analyzes identified additional environmental and site factors, which improved the ability to assess the importance of the climate for diameter growth. For this purpose, geographically weighted regressions were applied which, in addition to the input factors, also take spatial aspects into account. The geographically weighted regressions showed that especially the factors age, diameter at breast height and basal area (competition) influence the diameter increment stronger than climate. Regarding the climate variables, temperature was the most frequent significant factor. It was relevant in 54% of the models, followed by precipitation with 38%. The relative frequency of dry months occurred as an explanatory variable in 23% of the models. In general, tree-specific patterns could be found in the models, but in most cases the statistical significance was weak. One of the reasons for the low predictive strength is probably related to the fact that the diameter increase was calculated from two diameter values, which were several years apart (ranging from 11 to 15 years). From this data growth reactions in years with extreme weather conditions cannot be derived. However, recent studies have shown that extreme conditions might influence growth and vitality more strongly than successive changes in the overall climate conditions. Due to the long time intervals between the inventories, the data of forest inventories are conditionally suitable to estimate climate-related growth reactions. The results of the multifactorial analyzes indicate that the consideration of other ecological and structural factors may lead to an improvement in the forecasts.2021-07-0

Effect of changing anthropogenic and climate conditions on BOD loading and in-stream water quality in Europe

Catchment scale modelling of water and solute transport and transformations is a widely used technique to study pollution pathways and effects of natural changes, policies and mitigation measures. There are, however, only a few examples of global water quality modelling. This paper provides a description of the new continental-scale water quality model WorldQual and the analysis of model simulations under changed climate and anthropogenic conditions with respect to changes in diffuse and point loading as well as surface water quality. Biological Oxygen Demand (BOD) is used as an indicator of the level of organic pollution and its oxygen-depleting potential, and for the overall health of aquatic ecosystems. The first application of WorldQual is to river systems of Europe. The model itself is being developed as part of the EU-funded SCENES Project which has the principal goal of developing new scenarios of the future of freshwater resources in Europe. Using WorldQual the influence of climate and anthropogenic changes on European water resources can be compared. The results indicate that changes in loading and in-stream concentrations following socio-economic changes and seem to override the effect of climate change