title: Radial stem growth response of Douglas-fir (Pseudotsuga menziesii (Mirb.) Franco) to severe drought depending on soil properties and rooting characteristics
Creators: name: Spangenberg, Göran
Publisher: name: Universität Hohenheim
Year: 2024
Subjects: subject: 570

description: The increase in severe droughts and heat waves caused by climate change has impacted forests worldwide. One of these effects is the increase in drought-related damage to trees and tree dieback in many regions of the world. This became visible in Central Europe during and after the extreme drought of 2018. Not only severely damaged forests but many still existing forests must also be adapted to the changing climate. In this forest conversion, the adaptation of tree species composition to the changing climatic conditions, e.g., by planting other tree species, is an important measure. Drought tolerance is among the most important criteria for tree species selection. In this context, the planting of non-native tree species that are considered drought tolerant is an increasingly used silvicultural strategy. Douglas-fir (Pseudotsuga menziesii (Mirb.) Franco), which is native to North America, is an important substitute tree species with a higher drought tolerance, especially compared to Norway spruce (Picea abies (L.) Karst.), which has experienced severe drought damage in different regions of Europe. However, there has also been an increase in drought-related problems with Douglas-fir in some regions of Europe and North America. There is a need for research on the influence of site and rooting characteristics on the drought tolerance of this tree species. The objective of this dissertation was to investigate the influence of two soil properties (soil texture and plant-available water capacity) and two rooting characteristics (effective rooting depth and fine root density at a 0–40 cm soil depth) on the drought tolerance of Douglas-fir during the extreme drought year 2018. Different indicators derived from measurements of radial stem growth and stem radius changes were used to assess drought tolerance. Seven study sites were selected along a soil texture gradient from sand to clay. To investigate the influence of soil and rooting characteristics, other influencing factors on the drought tolerance of Douglas-fir were kept as consistent as possible. For this purpose, the study sites were selected in close proximity in southern Germany, at an elevation of approximately 500m a.s.l. Since the variety and provenance of Douglas-fir also influence drought tolerance, genetic origin analysis was carried out. As a result, all trees examined were clearly assigned to the coastal variety. They originated from the central area of the natural distribution range of the coastal variety. The soil physical and rooting characteristics were determined on a representative soil profile for each of the seven sites. In the investigations in Chapter II, cores were collected from Douglas-fir trees with an increment borer and tree ring widths were measured. The growth response indices of resistance, recovery, and resilience were derived from this as indicators of drought tolerance. These indices quantify the ability of trees to maintain stem growth during drought stress events and stem growth recovery after drought. In the study in Chapter III, stem radius changes were measured using dendrometers with high temporal and spatial resolution at the same study sites. Based on these data, the water status parameters maximum daily shrinkage and tree water deficit were derived for two pronounced drought periods in the extreme drought year 2018. In addition, growth onset and cessation for 2018 were estimated from dendrometer measurements and compared with the corresponding values for years with more precipitation, 2017 and 2019. Linear mixed-effects models were used to analyze the influence of soil and rooting characteristics on the indicators of drought tolerance and water status in Douglas-fir. The following overall conclusions can be drawn from the results of both studies. In general, Douglas-fir showed a higher drought tolerance on silty and sandy soils. On clay-dominated soils, a higher risk of drought stress is to be expected during very severe drought. A higher plant-available water capacity only reduced drought stress in Douglas-fir at the initial stage of the extreme drought in 2018. In the advanced stage of drought, this positive effect was no longer observed. A greater rooting depth reduced drought stress in the later stage of extreme drought and proved to be an influencing factor that improved drought tolerance in the analysis of the interannual radial growth. Douglas-fir trees only benefited from more intensive rooting in the top 40 cm of soil in the initial stage of extreme drought. In the later drought stage, no significant influence was detected. Based on measurement of the interannual radial stem growth and intra-annual stem radius changes, this drought stress study provides recommendations for Douglas-fir cultivation under the predicted climatic changes with an increased occurrence of severe drought periods. The combined application of the two measurement methods reduced method-specific uncertainties and answered additional research questions. There are comparatively few studies on the drought tolerance of trees that examine the relationships between soil properties, rooting characteristics, and aboveground tree responses to drought. This investigation shows the importance of such studies in understanding the response patterns of trees to very severe drought events.
description: Weltweit hat die klimawandelbedingte Zunahme an schweren Trockenheiten und Hitzewellen Auswirkungen auf die Wälder. Eine dieser Auswirkungen ist die Zunahme der dürrebedingten Schäden an Bäumen und des Baumsterbens in vielen Regionen der Welt. In Zentraleuropa ist dies während und nach der extremen Trockenheit von 2018 deutlich geworden. Nicht nur stark geschädigte Wälder, sondern auch viele bestehende Wälder müssen an das sich ändernde Klima angepasst werden. Bei diesem Waldumbau ist die Anpassung der Baumartenzusammensetzung an die sich ändernden klimatischen Bedingungen z.B. durch Pflanzung anderer Baumarten eine wichtige Maßnahme. Die Trockenheitstoleranz ist eines der wichtigsten Kriterien für die Auswahl von Baumarten. Dabei ist die Pflanzung von nicht heimischen Baumarten, die als trockenheitstolerant gelten, eine zunehmend eingesetzte waldbauliche Strategie. Die in Nordamerika heimische Douglasie (Pseudotsuga menziesii (Mirb.) Franco) ist eine wichtige Ersatzbaumart mit einer höheren Trockenheitstoleranz insbesondere im Vergleich zur Fichte (Picea abies (L.) Karst.), die in unterschiedlichen Regionen Europas schwere Trockenschäden zeigt. Allerdings gibt es auch bei der Douglasie in einigen Regionen Europas und Nordamerikas eine Zunahme an trockenheitsbedingten Problemen. Es besteht Forschungsbedarf über den Einfluss von Standorts- und Wurzeleigenschaften auf die Trockenheitstoleranz dieser Baumart. Diese Dissertation hat zum Ziel, den Einfluss zweier Bodeneigenschaften (Bodenart und nutzbare Feldkapazität) und zweier Durchwurzelungseigenschaften (effektive Durchwurzelungstiefe und Feinwurzeldichte in 0–40 cm Bodentiefe) auf die Trockenheitstoleranz der Douglasie im Extremtrockenjahr 2018 zu untersuchen. Zur Bewertung der Trockenheitstoleranz wurden dabei unterschiedliche Indikatoren verwendet, die aus Messungen des radialen Stammwachstums bzw. der Stammradiusänderungen abgeleitet wurden. Für die Untersuchung wurden sieben Standorte entlang eines Bodenart-Gradienten von Sand bis Ton ausgewählt. Um den Einfluss der Boden- und Durchwurzelungseigenschaften unter-suchen zu können, mussten andere Faktoren, die Einfluss auf die Trockenheitstoleranz von Douglasie haben, so einheitlich wie möglich gehalten werden. Dazu wurden Untersuchungs-standorte in enger Nachbarschaft in Süddeutschland ausgewählt, die auf einer Höhe von ca. 500 m ü. d. M. liegen. Da auch die Varietät und Provenienz der Douglasie Einfluss auf die Trockenheitstoleranz hat, wurde eine genetische Herkunftsuntersuchung durchgeführt. Im Ergebnis wurden alle untersuchten Bäume eindeutig der Küstenvarietät zugeordnet. Sie stammten ursprünglich aus dem zentralen Bereich des natürlichen Verbreitungsgebiets der Küstenvarietät. Die bodenphysikalischen Eigenschaften und die Durchwurzelungsmerkmale wurden an einem repräsentativ angelegten Bodenprofil für jeden der sieben Standorte ermittelt. Bei den Untersuchungen in Kapitel II wurden Bohrkerne mit einem Zuwachsbohrer an Douglasien entnommen und daran die Jahrringbreiten gemessen (Kapitel II). Als Indikatoren für Trockenheitstoleranz wurden daraus die Wachstumsreaktionsindizes Resistenz, Erholung und Resilienz abgeleitet. Diese Indizes quantifizieren die Fähigkeit der Bäume zur Aufrechterhaltung des Stammwachstums während des Trockenstressereignisses und die Erholung des Stammwachstums nach der Trockenheit. In der Untersuchung in Kapitel III wurden Stamm-radiusänderungen mit zeitlich und räumlich hochaufgelöst messenden Dendrometern auf denselben Standorten ermittelt. Daraus wurden für zwei ausgeprägte Trockenperioden im Extremtrockenjahr 2018 Baumwasserstatus-Parameter (maximale tägliche Schrumpfung im Tageszyklus und Baumwasserdefizit) abgeleitet. Außerdem wurden aus den Dendrometer-Messungen Wachstumsbeginn und –ende für 2018 abgeschätzt und mit den entsprechenden Werten der niederschlagsreicheren Jahre 2017 und 2019 verglichen. Um den Einfluss der Boden- und Durchwurzelungseigenschaften auf die Indikatoren für Trockenheitstoleranz bzw. Wasserstatus der Douglasie zu analysieren, wurden lineare gemischte Modelle verwendet. Aus der Ergebnissen beider Untersuchungen lassen sich folgende Gesamtschlussfolgerungen ableiten: Die Douglasie zeigte insgesamt eine höhere Trockentoleranz auf schluffigen und sandigen Böden. Auf tongeprägten Böden ist mit einem höheren Trockenstressrisiko bei sehr starker Trockenheit zu rechnen. Eine höhere nutzbare Feldkapazität verringerte nur im An-fangsstadium der extremen Trockenheit von 2018 den Trockenstress der Douglasie. Im fortgeschrittenen Stadium der Trockenheit war diese positive Wirkung nicht mehr festzustellen. Eine größere Durchwurzelungstiefe reduzierte den Trockenstress im fortgeschrittenen Stadium der Extremtrockenheit und erwies sich auch in der Analyse des jährlichen Radialwachstums als Einflussfaktor, der die Trockentoleranz verbesserte. Die Douglasie profitierte nur in der Anfangszeit der Extremtrockenheit von einer intensiveren Durchwurzelung der obersten 40 cm des Bodens. In der späteren Phase der Trockenheit war kein signifikanter Einfluss mehr feststellbar. Diese Trockenstressstudie, die auf der Messung des jährlichen radialen Stammwachstums und der intraannualen Stammradiusveränderungen basiert, gibt Empfehlungen für den Anbau von Douglasie unter den vorhergesagten klimatischen Veränderungen mit einem vermehrten Auftreten von schweren Trockenperioden. Durch die kombinierte Anwendung der beiden Messmethoden reduzierten sich die methodenspezifischen Unsicherheiten und es konnten zusätzliche Forschungsfragen beantwortet werden. Es gibt vergleichsweise wenig Studien zur Trockenheitstoleranz von Bäumen, in denen die Zusammenhänge zwischen Bodeneigenschaften, Durchwurzelungseigenschaften und oberirdischen Reaktionen der Bäume auf Trockenheit untersucht werden. Diese Untersuchung zeigt die Bedeutung solcher Studien für das Verständnis der Reaktionsmuster von Bäumen auf sehr schwere Dürreereignisse.