M.Sc. Sebastian Fuchs Waldklimafonds-Kongress, Berlin, März 2017 DIVforCLIM Erweiterung des Nutzholzarten-Spektrums im Klimawandel: Trockenstresstoleranz von Nebenbaumarten und Anbaupotenziale in einem trockeneren Klima Albrecht-von-Haller-Institut für Pflanzenwissenschaften – Georg-August-Universität Göttingen

DIVforCLIM Diverse Forests for Climate Change Laufzeit des Projekts: 01.05.2016 – 30.04.2019 Fördermittel: 196.054 € Projektträger:

Zunehmende Sommertrockenheit in Zentraleuropa Klimaprognosen für 21. Jahrhundert: Abnahme der Sommerniederschläge um bis zu 100 mm a-1 Häufigere und stärkere Hitzewellen (Schär et al. 2004) Predicted decrease in june-august precipitation in mm d-1 (difference between 1961-1990 and 2071-2100 intervals), Rowell et al. 2006 Hintergrund

Die Rotbuche kommt an ihre Grenzen …im subkontinental geprägten Mittel-/Ostdeutschland Stärkere Zuwachseinbrüche in trockenen Jahren als die Traubeneiche und einige Nebenbaumarten (Zimmermann et al. 2015 in Nord-Thüringen) Eiche Buche September 2016 Hintergrund

Forschung zur Trockenstresstoleranz Bisherige Trockenstress-Forschung war auf Hauptbaumarten fokussiert (z.B. Buche, Eiche, Fichte) Kenntnisstand bzgl. Nebenbaumarten ist sehr lückenhaft Ausgewählte Nebenbaumarten: Spitzahorn, Hainbuche, Winterlinde, Esche haben eine vermutlich hohe Trockenstresstoleranz, kommen auf trockenen Standorten vor sind verbreitet und heimisch in Mittel- bis Ostdeutschland mit gewisser wirtschaftlicher Verwendbarkeit Anbauempfehlungen für Nebenbaumarten in einem trockeneren Klima würden den Handlungsspielraum der Forstwirtschaft erweitern. Weiterhin: nicht nur als Ersatz für Hauptbaumarten gedacht, sondern auch im Sinne diverser, stablier Waldökosysteme. Hintergrund

Ziele des Vorhabens „DIVforCLIM“ Erforschung der Trockenstressgrenzen und der Anbauwürdigkeit von vier einheimischen Nebenbaumarten in einem trockeneren Klima Vergleich: Nebenbaumarten: Spitzahorn Hainbuche Winterlinde Gemeine Esche Hauptbaumart: Traubeneiche Ziele der Studie

Ziele des Vorhabens „DIVforCLIM“ Erforschung der Trockenstressgrenzen und der Anbauwürdigkeit von vier einheimischen Nebenbaumarten in einem trockeneren Klima Feldstudie entlang eines Niederschlagsgradienten 750 mm a-1 480 mm a-1 Ziele der Studie

Forschungsflächen 750 mm a-1 480 mm a-1 Niederschlagsgradient Terrametrics Kartendaten (2016), GeoBasis-DE/BKG (2009), Google inc. Göttingen Halle Kontinentalitätsgradient durch den Regenschatten des Harzes Forschungsflächen

Ziele des Vorhabens „DIVforCLIM“ „Identifizierung von artspezifischen Schwellenwerten des Jahresniederschlags, ab denen der Zuwachs deutliche negative Trends aufweist und weitere Stressindikatoren erhöhte Werte annehmen“ Dendrochronologie Klimasensitivität des Zuwachses Negative Weiserjahre, Erholung nach Zuwachseinbrüchen („superposed epoch analysis“) Holzanatomische und hydraulische Anpassungen an Trockenstress Kavitationsrisiko des Gefäßsystems (Vulnerabilitätskurven, „P50-Werte“) Gefäßgrößenverteilung der einzelnen Jahrringe Vergleich von Trockenstressindikatoren Feinwurzelmortalität während der Vegetationsperiode Wasserverbrauch in trockenen Perioden (Saftflussmessungen) Fokus: Auf vielen Symptomen basierende Indikation von Trockenstress und Plastizität der Art statt einfacher „Klimahüllen-Analyse“ oder „species distribution models“ Ziele der Studie

Was bisher geschah: Flächenauswahl und Erhebung von Basisdaten (Baumhöhe, DBH) Zuwachsbohrungen Mikroskopische Aufnahmen der Xylem-Anatomie

Vielen Dank für die Aufmerksamkeit! Spitzahorn Winterlinde Hainbuche ca. 2 mm Esche Traubeneiche

Literatur Cochard H (2006): Cavitation in trees. C. R. Physique 7: 1018–1026 Meinzer FC, Johnson DM, Lachenbruch B, McCulloh KA, Woodruff DR (2009): Xylem hydraulic safety margins in woody plants: coordination of stomatal control of xylem tension with hydraulic capacitance. Funct Ecol 23: 922–930 Rowell DP and Jones RG (2006): Causes and uncertainty of future summer drying over Europe. Climate Dynamics 27: 281-299. Schär C, Vidale PL, Lüthi D et al. (2004) The role of increasing temperature variability in European summer heatwaves. Nature 427 (6972): 332–336. Zimmermann J (2015): The impact of drought and climate warming on Central European broad-leaved mixed forests. PhD Thesis. Georg-August-Universität Göttingen. Literature

Appendix Appendix

Anatomie Esche, stark vergrößert

Xylem anatomy (stem/branch) Ring-wise vessel size distribution longterm adaptation to reduced water availability? anatomical response to dry pointer years? Vessel size adaptations along the gradient (branch and stem)? Acer platanoides J. Zimmermann (2015) Quercus petraea Fraxinus excelsior Appendix

Xylem vulnerability to cavitation Air seeded gas embolism in xylem vessels due to highly negative pressures A consequence of drought stress Blockage of vessels  water transport breaks down Vulnerability curves: Quantify cavitation in shoots as a consequence of decreasing xylem pressures Pe and P50 values Pe : Air entry threshold of Xylem water potential P50: Threshold, where 50% of conductivity is lost due to cavitation Meinzer et al. (2009) Appendix

Methods to construct vulnerability curves Cavitron: Negative pressure induced by centrifugation force Quick and reliable Only suited for species with short vessels (diffuse porous) Bench dehydration: Negative pressure induced by dehydration Time consuming and less reliable Suited for all wood types Cochard (2006) Appendix

Fine root mortality Ratio of living and dead fine root biomass before and after the growing season Fine roots as„hydraulic fuse“  Very sensitive to cavitation High carbon turnover rates  Carbon allocation to roots  explains reduced aboveground productivity Appendix

δ13C-signature 13C discrimintation by rubisco in photosynthesis depends on CO2 partial pressure inside the leaves stomatal closure changes δ13C-signature of fixed carbon „photosynthetic water use efficiency“ (carbon fixation per water use) δ13C signature in leaves Current year drought stress indicator δ13C signature in cellulose of single tree rings in the stem Indication of drought stress in the past Appendix

Sap flow Water consumption in moist and dry periods Quantify transpiration reduction in dry periods Indication for water use strategies and cavitation prevention mechanisms Several available techniques to measure xylem sap flow: http://www.ictinternational.com/content/uploads/2014/05/sfm-01.jpg http://www.ecomatik.de/produkte/sap_flow_sensor_g.jpg http://www.ictinternational.com/content/uploads/2014/03/hfd-01.jpg Appendix