Spezifizierung der Schwellenwerte für den klimagerechten Anbau von Waldbaumarten durch die Untersuchung von marginalen Vorkommen (MARGINS)

Abstract
Bestände der in Bayern verbreiteten Hauptbaumarten Fichte, Kiefer, Buche, Trauben-Eiche und Tanne wurden an ihrem südlichen Arealrand vegetations- und standortkundlich untersucht. Die Bäume werden im Süden, trotz der höheren Temperaturen von ähnlichen Zeigerpflanzen wie in Bayern begleitet und zeigen ein bemerkenswertes Höhenwachstum, was auf eine komplexe Überlagerung von Vorteilen (längere Wuchsperiode) und Risiken (Trockenstress) hindeutet.


Durch den Klimawandel werden die Hauptbaumarten der bayerischen Wälder zunehmend mit warm-trockenen Klimaperioden und die Waldbesitzer mit neuartigen Anbaurisiken konfrontiert. Eine vorausschauende Beurteilung dieser Risiken muss über die Grenzen Mitteleuropas hinaus am südlichen Arealrand erfolgen, wo die Bäume bereits seit längerem einem Klima ausgesetzt sind, das dem für Bayern erwarteten ähnlich ist. Der Erforschung der südlichen „Kampfzone“ von Fichte, Kiefer, Buche, Eiche und Tanne widmete sich ein Team aus Modellierern (LWF), Dendroökologen (TUM) und Vegetationskundlern (HSWT) am Zentrum Wald-Forst-Holz Weihenstephan.

Bild1 Bild2
Abb. 1: Buchen zeigen nahe am Südrand ihrer Verbreitung erstaunlich hohe Vitalität und Wachstum.
Mixed stand of Fagus sylvatica and Quercus ilex in Calabria / Italy (Foto: J. Ewald)

Zielsetzung

Das Projekt verfolgte folgende Ziele:

- Geograhische Definition des warm-trockenen Arealrandes der fünf wichtigsten Baumarten Bayerns (Fichte, Tanne, Wald-Kiefer, Rot-Buche, Trauben-Eiche)
- Identifizierung von marginalen Beispielpopulationen am warm-trockenen Arealrand
- Kennzeichnung der Umweltbedingungen am warm-trockenen Arealrand
- Prüfung, Korrektur und Spezifikation der Nischenmodelle am warm-trockenen Arealrand

Bild3
Abb. 2: Beziehung zwischen Bestandesalter und Oberhöhe in neun untersuchten Buchenbeständen am trocken-warmen Arelarand in Südeuropa; verglichen mit dem Bonitätsfächer für Bayern (Linien) zeigen die Buchenbestände mittleres bis hohes Wachstum.

Vorgehen

Der warm-trockene Arealrand der Baumarten wurde mit dem neu entwickelten Modell der „klimatischen Marginalität“ kartiert, bei dem die ökologische Entfernung zum warm-trockenen Nischenrand quantifiziert wird (Mellert et al. 2015). Zusammen mit lokalen Waldexperten wurden in Rumänien, Bulgarien, Slowenien, Italien, Frankreich, Spanien und Baden-Württemberg 45 Untersuchungsbestände identifiziert. Vor Ort wurden Boden, Bodenvegetation, Bestand und physiologisch relevante Merkmale der Zielbaumarten (Jahrringaufbau, Blattmorphologie) beprobt. Die Vegetationsdaten aus Buchenwäldern wurden an Hand von Ordination und Zeigerartenanalyse mit einem bayerischen Referenzdatensatz verglichen.

Ergebnisse

Die Vorhersage von warm-trockenen Grenzstandorten in Südeuropa gestaltete sich schwieriger als gedacht, da die Zielbaumarten praktisch immer in Gebirgen vorkommen, wo die verfügbaren Klimamodelle erhebliche Ungenauigkeiten aufweisen. Auf Grund fehlender Anbautradition im Mittelmeergebiet gibt es außerhalb von Gebirgen kaum Vorposten von Fichte und Tanne in tieferen Lagen. Die Vorkommen in den Inneralpen („Trockentannen“) weisen bei geringen Niederschlägen und hoher Einstrahlung geringe Temperaturen auf und taugen deshalb nicht als Modell für den Klimawandel. Dagegen findet man in Südeuropa Buchenwälder unter deutlich wärmeren Temperaturen, die sich trotz vieler Gemeinsamkeiten durch eine ganze Reihe wärmeliebender Begleitarten von bayerischen Vorkommen abheben. Auch treten viele Arten, die im wärmeren Nordbayern Buchenbegleiter sind, im Süden auffallend häufig auf. Mittlere Ellenberg-Zeigerwerte für Temperatur und Feuchte erweisen sich als über Mitteleuropa hinaus anwendbar. Die anzunehmenden häufigeren Trockenperioden schlagen sich jedoch überraschender Weise nicht in geringerem Höhenwachstum nieder (Abb. 2). In mikroklimatischen Gunstlagen (luftfeuchte Schluchten, Nähe von Gewässern) steigt die Buche gar bis in erstaunlich tiefe Lagen hinab und begegnet dort mediterranen Arten wie der Stein-Eiche – ein Phänomen, das dringend genauer untersucht werden sollte.

English Version

Specification of threshold values for cultivation of tree species facing climate change using marginal occurrences (MARGINS)

Funded by the Bavarian State Forest Authority, the MARGINS project will forecast reactions of temperate tree species to increasing temperature and drought based on a combination of species distribution modeling and study of populations at the warm and dry edges of the distributions.

Background

Ecological niche models identify thresholds for physiological existence (i.e., fundamental niche) or observability of species (i.e., realized niche). The model output are probabilities of occurence, whereas the highest probabilities are found in the niche center, with probabilities converging to zero towards the margins. Validation with real observations reveals that beyond certain thresholds no occurrences of the species in question can be ascertained. The specification of these threshold values for the commercially important tree species of Bavaria is the central scope of the MARGINS project.

Aims

Niche models applied to geographic areas result in species distribution models (SDM), where the probabilities of occurrence are mapped onto geographic zones. Occurrences just before the distributional margins represent populations under extreme climatic influence. Hence, symptoms induced by climatic change should become visible in these populations "at the rear edges" first. Studying these extreme populations is the core part of the MARGINS project, and SDM are used to identify interesting populations, and later to transfer the obtained results to future conditions in Bavaria. Aiming at the combination of the strengths of both statistical niche modeling and effect-oriented case studies in a space-for-time approach, the MARGINS project aims to:

1. define the geographic zones where Bavaria's six most important tree species (Norway spruce, Scots pine, Silver fir, common beech, sessile oak and pedunculate oak) grow at or very near their distributional margins,
2. localize populations in these zones,
3. characterize the environmental conditions defining the boundaries of the distribution area,
4. validate, correct, and specify state-of-the-art niche models in the most critical warmer part,
5. derive thresholds for commercial use of the species,
6. identify reactions when reaching or transgressing critical thresholds,
7. and to apply the improved thresholds to diverse regional climate scenarios in Bavaria.

HSWT workpackage on vegetation

Within MARGINS HSWT studies vegetation composition and plant traits of tree populations. We collect plot data in ain the field and assemble a reference database using existing data from partners throughout Southern Europe.

Preliminary Results

In 2013 and 2014 45 MARGINS-plots have been sampled at the southern distribution edge of beech, spruce, fir, Scots pine and sessile oak. We found a total of 432 vascular plant species, among them 59 tree species. Species composition was highly similar to the one found in Bavarian forests. Site index (dominant height at 100 yrs.) indicated average growth conditions.

Radial growth in Spain was limited by high summer temperatures and low precipitation of the previous year, with a diminishing influence of the north-atlantic oscillation. In 12 beech stands throughout the Mediterranean it was demonstrated, that radial growth chiefly depended on summer temperatures, with a diminishing influence of precipitation in the western, yet still significant effects in the central and eastern regions. In many plots a diminishing growth trend was detectable.

The concept of “site marginality” was elaborated in a paper submitted to the journal Forestry. Models of the niche edge are designed to define climatic limits of forest tree species more sharply, but they are limited by a lack of high resolution soil information. Based on the newly built occurrence database, the outer tolerance limit was defined as the most extreme climate (in terms of warmth and aridity), at which the specis occurs under favourable conditions of soil and relief. Based on the systematic sample of ICP Forests Level-I plots, the so-called “impact” was estimated from an ensemble of 63 climate change scenarios. Marginality proved to be a robust estimate of the sensitivity of a given situation (tree species, current climate) towards climate change. As a summary parameter, impact explicitly encompasses the diversity of scenarios and model uncertainty. Such a representation of climate risk improves decision support in tree species selection under climate change.

Verbundprojektleitung

Prof. Dr. Annette Menzel (Koordination)
Technische Universität München Link

Projektleitung


Projektbearbeitung

Daniel Hornstein

Projektmitwirkung extern

Projektdauer

01.10.2012 - 30.09.2015

Projektpartner

Weblinks

http://margins.ecoclimatology.com Link

Veröffentlichung

Mellert, K. H., Ewald, J., Hornstein, D. et al. (2015): Climatic marginality: a new metric for the susceptibility of tree species to warming exemplified by Fagus sylvatica (L.) and Ellenberg’s quotient. European Journal of Forest Research. Eur. J. Forest Res. 135: 137-152