WF-Projekt: WiwaKonKlim

Allgemeine Projektinformationen

Titel (deutsch)

Anpassung der zukünftigen Baumartenmischung des Wienerwaldes an mögliche Konsequenzen des Klimawandels aufgrund historischer Trockenstressreaktionen, ermittelt anhand von Standorts-, Boden- und Jahrringanalysen

Titel (englisch)

Adapting future tree species composition of the Vienna Woods to possible consequences of climate change based on past drought responses, as indicated by forest site -, soil - and tree ring parameters

Abstract (deutsch)

Kenntnisse über die spezifischen Trockenstressreaktionen unserer heimischen Baumarten sind notwendig, um zukünftige klimabedingte Verschiebungen ihrer Verbreitungszonen abzuschätzen. Buche ist die Hauptbaumart des Wienerwaldes, doch reagiert besonders empfindlich auf Bodentrockenheit und hohe Lufttemperaturen. Andere Baumarten wie Eiche, Hainbuche, Lärche, Rot- und Schwarzkiefer, Tanne, Fichte, Douglasie, Robinie und Spitzahorn sind gegenwärtig nur in geringem Ausmaß beigemischt. In diesem Projekt werden Standortsfaktoren, dendrochronologische und dendrochemische Analysen sowie ökohydrologische Modelle mit einem weltweit einzigartigen Datensatz (bis zu 97 Buchenbestände) aus Boden- und Blattdaten der Jahre 1984 und 2012 verschnitten.

Weiters werden stabile Isotope Analysen von Kohlenstoff (13C/12C-Verhältnisse) in datieren Jahrringen analysiert, um Trockenstressperioden zu charakterisieren. Geschlossene Schließzellen (Stomata) verursachen eine photosynthetische Diskriminierung von 13CO2, sodass Blätter und datierte Jahrringe durch geringere 13C/12C-Verhältnisse gekennzeichnet sind.

Die Forschungsfragen lauten: i) Wie trockenheitssensitiv ist die Buche im Vergleich zu den anderen vorkommenden Baumarten Eiche, Hainbuche, Lärche, Waldkiefer, Schwarzkiefer, Tanne, Fichte, Douglasie, Robine und Spitzahorn? ii) Welche dendrochemischen Parameter sind am besten geeignet, um die (historischen) Transpirationsraten der zu untersuchenden Baumarten zu schätzen? iii) Wie beeinflussen Standortsfaktoren (Klima, Boden, Lage) die Reihenfolge der baumartenspezifischen Sensibilität? iv) Stimmen die experimentell erhobenen Daten mit den modellierten Bestandeswerten für Widerstand, Erholung und Resilienz bezüglich Bodentrockenheit überein, und wenn ja, sind klimabedingte Änderungen prognostizierbar?

Letztendlich ist es das Ziel, anhand historischer Trockenstressreaktionen der angeführten Baumarten zukünftige Bestockungsziele des Wienerwaldes für verschiedene Klimaszenarien abzuleiten.

Abstract (englisch)

Drought stress response has become an integral part of adaptive forest management and its understanding is required for estimating the consequences of climate change on prospective tree species range shifts. The dominant tree species in the Vienna Woods is European beech (Fagus sylvatica). Other species like oak, hornbeam, larch, red and black pine, silver fir, Norway spruce, Douglas fir, false acacia and Norway maple make up a relatively small percentage of the forest cover. European beech is a species, which is particularly vulnerable to soil drought and higher temperatures are assumed to increase the frequency and intensity of these droughts. The proposed study tries to link site factors, dendrochronology, dendrochemistry and eco-hydrological modeling with a worldwide unique set of soil and foliage data (up to 97 forest sites) of 1984 and 2012.

We propose to measure stable isotopes of carbon (13C/12C-ratios) in dated tree rings for evaluating drought periods. Reduced stomatal conductance causes photosynthetic discrimination against 13CO2, indicated by decreased 13C/12C-ratios in leaves and tree rings.

Our related research questions are: i) How drought sensitive is beech in comparison to other optional tree species of the Vienna Woods: oak, hornbeam, larch, Scots pine, black pine, silver fir, Norway spruce, Douglas fir, false acacia and Norway maple? ii) Are dendrochemical parameters useful for estimating transpiration fluxes of the studied trees? iii) How do forest site factors (climate, soil, terrain) affect the ranking of tree species by drought sensibility? iv) Do our experimental data agree with modeled data on the stand’s vulnerability and resilience towards soil drought, and if so, can we assess temperature driven changes?

The final objectives are drought sensitivity characterizations of the previous experiences with the existing tree species and recommendations for future tillering and their management with regard to climate change.

Schlagwörter (deutsch)

Trockenstressreaktion,klimabedingter Baumartenwechsel,Standort und Wasserhaushalt,Dendrochronologie,Dendrochemie,ökohydrologische Modellierung

Schlagwörter (englisch)

drought response,climate induced tree species shift,forest site and water budget,dendrochronology,dendrochemistry,eco-hydrological modeling

Projektleitung

Torsten W. Berger

Forschungseinrichtung

Universität für Bodenkultur Wien

Finanzierungspartner

Bundesministerium für Landwirtschaft, Regionen und Tourismus

Projektnummer

101725

Projektlaufzeit

-

Projektziele


Trockenstressreaktionen unserer heimischen Baumarten werden zunehmend integraler Bestandteil eines an den Klimawandel angepassten Waldmanagements (George et al., 2016). Genaue Kenntnisse sind notwendig, um die raschen klimatischen Verschiebungen der baumartenspezifischen Verbreitungsgebiete zu prognostizieren.

Buche ist besonders anfällig auf Bodentrockenheit (Bolte et al., 2007; Ciais et al., 2005) und die zu erwartenden steigenden Lufttemperaturen werden aufgrund des Anstieges der potentiellen Evapotranspiration diese verschärfen (Bergh et al., 2003). Die Erhöhung der Baumartenmischung stellt ein Grundprinzip dar, um den Waldbestand für möglichst viele verschieden Klimaszenarien vorzubereiten (Brang et al., 2014). Der Wienerwald ist ein ideales Untersuchungsgebiet, um aus der retrospektiven Analyse historischer Trockenstressreaktionen, in Kombination mit Standorts- und Bodendaten, Grundlagen für eine klimafitte Laub(misch)waldbewirtschaftung zu erstellen.

Die allgemeine Arbeitshypothese lautet, dass der Klimawandel sich negativ auf Vitalität und Wachstum der gegenwärtig dominierenden Buche des Wienerwaldes auswirken wird, und Anpassungen zukünftiger Baumartenmischungen notwendig sind, um ökosystemare Schlüsselfunktionen zu erfüllen.

Die Forschungsfragen lauten:

1) Wie trockenheitssensitiv ist die Buche im Vergleich zu den anderen vorkommenden Baumarten Eiche, Hainbuche, Lärche,
    Waldkiefer, Schwarzkiefer, Tanne, Fichte, Douglasie, Robine und Spitzahorn?

2) Welche dendrochemischen Parameter sind am besten geeignet, um die (historischen) Transpirationsraten der zu untersuchenden
    Baumarten zu schätzen?

3) Wie beeinflussen Standortsfaktoren (Klima, Boden, Lage) die Reihenfolge der baumartenspezifischen Sensibilität?

4) Stimmen die experimentell erhobenen Daten mit den modellierten Bestandeswerten für Widerstand, Erholung und Resilienz
    bezüglich Bodentrockenheit überein, und wenn ja, sind klimabedingte Änderungen prognostizierbar?

Die Beantwortung obiger Fragen werden zur Erfüllung folgender Teilziele beitragen:

A) Abschätzung des Risikos eines Rückgangs der Buchen im Wienerwald

B) Rekonstruktion von Transpirationsraten während historischer Trockenperioden

C) Erstellung von Richtlinien für standortsbezogene klimafitte Baumartenkombinationen

D) Empfehlungen für Bestockungsziele und Managementmaßnahmen bei unterschiedlichen Klimaszenarien


Die Erfolgschancen zur Erfüllung der angeführten Teilziele sind hoch, da umfangreiche Vorarbeiten des Projektleiters und seines Teams vorliegen, welche die Grundlage für das Projekt darstellen. Deshalb seien diese grundlegenden Forschungen an dieser Stelle angeführt:

Vorarbeiten als Grundlage für die Formulierung obiger Projektziele


1a) Berger, T.W., Türtscher, S., Berger, P., Lindebner, L. (2016): A slight recovery of soils from Acid Rain over the last three decades is not reflected in the macro nutrition of beech (Fagus sylvatica) at 97 forest stands of the Vienna Woods. Environ. Pollut. 216, 624-635. DOI: 10.1016/j.envpol.2016.06.024.

http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0269749116305127


1b) Türtscher, S., Berger, P., Lindebener, L., Berger, T.W. (2017): Declining atmospheric deposition of heavy metals over the last three decades is reflected in soil and foliage of 97 beech (Fagus sylvatica) stands in the Vienna Woods. Environ. Pollut.; 230, 561-573. DOI: 10.1016/j.envpol.2017.06.080.

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0269749117309703


Für beide Studien wurden 97 Altbuchenbestände wiederholt beprobt, sodass ein weltweit einzigartiges Material bodenchemischer und -physikalischer sowie blattchemischer Daten aus den Jahren 1984 und 2012 vorliegt.

Im Rahmen dieses Projektes werden diese Standorte (siehe Abbildung 1 im hochgeladenen Anhang 1) erneut aufgesucht und beprobt, um Trockenstressreaktionen der Buche und der oben erwähnten 10 beigemischten Baumarten zu erforschen. Diese 97 Standorte erstrecken sich über ein weites Areal, unterschiedliche Geologie und Böden, Lagen (Kuppe, Hang, Tal) und Expositionen.


2) Türtscher, S., Grabner, M., Berger, T.W. (2019): Reconstructing soil recovery from Acid Rain in beech (Fagus sylvatica) stands of the Vienna Woods as indicated by removal of stemflow and dendrochemistry. Water Air Soil Pollut 230: 30.

https://link.springer.com/article/10.1007/s11270-018-4065-x


Im Jahr 2015 wurden 14 der 97 Buchenbestände ausgewählt, von denen zwischenzeitlich ein Teil mittels Streifenschlag gefällt wurde (siehe Abbildung 2 im hochgeladenen Anhang 1). Die Reversibilität von Bodenversauerung wurde evaluiert, indem Bodenproben von verschiedenen Distanzen und Tiefen von Baumstöcken analysiert wurden, die zu unterschiedlichen Zeiten gefällt und somit die Jahre, in denen der saure Stammabfluss wegfiel, repräsentieren. Eine Differenz des Boden pH-Wertes zwischen stocknah und –fern war nach 30 Jahren immer noch feststellbar, was darauf hindeutet, dass sich die Waldböden nicht vollständig vom Sauren Regen erholen bzw. wenn, dann nur sehr langsam. Arbeitshypothese war, dass Änderungen der Bodenchemie sich in den zeitlich datierten Jahrringen wider spiegelt. Es konnte gezeigt werden, dass die zeitlich datierten Holzgehalte von Buche auf eine Mobilisierung von basischen Kationen in den frühen 1980er Jahren und eine anschließende Abnahme hindeuten. Die Rekonstruktion von Boden pH-Werten und Nährstoffen spiegelte die Bodenlösung und nicht den Bodenaustauscher wider. Blatt- und Holzgehalte korrelierten für die Jahre 1984 und 2012.


Obwohl alle Bohrkerne als digitales Bild für die Vermessung gespeichert sind, werden wir im Rahmen dieses Projektes nochmals Bohrkerne von diesen Buchen und den beigemischten anderen Baumarten werben und chemisch analysieren (aber diesmal nicht in fixen 5 Jahres Segmenten). Nach Aufsuchen der restlichen bis zu 97 Flächen (projektiert werden 70 Bestände, da der Rest zwischenzeitlich endgenutzt sein wird), wird die Zahl der Bohrkerne, welche zu scannen und dendrochronologisch auszuwerten ist, bekannt sein. Allerdings wird sich die chemische Analyse der Jahrringe auf die wichtigsten Trockenperioden, sowie Vor- und Nachtrockenperioden beschränken, da es arbeitstechnisch und finanziell nicht möglich sein wird, alle Jahrringe der letzten 70 Jahre chemisch zu analysieren.


3) Dolschak, K, Gartner, K, Berger, T.W. (2019): The impact of rising temperatures on water balance and phenology of European beech (Fagus Sylvatica L.) stands. Model. Earth Syst. Environ. 5, 1347-1363. DOI: 10.1007/s40808-019-00602-1. https://link.springer.com/article/10.1007%2Fs40808-019-00602-1


Das Wasserbilanz-Modell (water balance model; WBM) verwendet standardisierte meteorologische Parameter als Input-Variabel und läuft in täglicher Auflösung. Es wurde an 4 Buchenstandorten auf Flysch entwickelt (davon 3 Standorte im Flysch-Wienerwald, 1 Standort ca. 25 km weiter westlich). Die Kalibrierung erfolgte anhand gemessener Bodenfeuchtedaten und zeigt sehr gute Übereinstimmungen (siehe Abbildung 3 im hochgeladenen Anhang 1).


Somit liefert das Modell verschiedene Output-Werte, von denen insbesondere die Transpirationsraten mit den Elementgehalten der einzelnen Jahrringe in Relation gesetzt werden können. Im Rahmen dieses Projektes werden die 26 Parameter des Modells für jeden der bis zu 97 Standorte anhand der Standorts- und Bodenaufnahmen ermittelt, sodass exakte Transpirationsraten für historische Trockenperioden ermittelt werden können. Das Modell liefert für jeden Zeitpunkt den pflanzenphysiologischen Transpirationsindex (Verhältnis von aktueller zu potenzieller Transpiration; Zierl, 2001) und den Index des relativ nutzbaren Bodenwassers (Verhältnis von aktuell verfügbarem Bodenwasser zu nutzbarer Wasserspeicherkapazität; Bréda et al. 2006), welche zur Definition von standörtlichem Trockenstress dienen. Gleichzeitig ermöglicht das Modell anhand gewählter zukünftiger Szenarien Klimaeffekte auf die Wasserbilanz jedes Standortes zu prognostizieren.

Praxisrelevanz


Der Wienerwald umfasst 125.000 ha Waldfläche, geologisches Ausgangsmaterial ist zum Großteil Flysch, lediglich ein kleineres Gebiet im Süden ist dem Kalk-Wienerwald zuzuordnen. Die Höhenlage liegt zwischen 180 m und 800 m, der mittlere Jahresniederschlag beträgt 600 bis 900 mm. Im Jahr 2005 wurde dieses Gebiet durch die UNESCO zum Biosphärenpark erklärt und erfüllt, unmittelbar an die Großstadt Wien grenzend, die folgenden SDGs (sustainable development goals), weshalb Schutz und Adaption des Wienerwaldes an ändernde Klimafolgen so wichtig sind:

SDG 3 “Good health and well-being” (Gesundheit und Wohlergehen): Der Wienerwald ist das wichtigste Erholungsgebiet für die Stadtbevölkerung von Wien.

SDG 6 “Clean water and sanitation” (Sauberes Wasser und Sanitäreinrichtungen): Der Wienerwald liefert Trinkwasser für viele Haushalte und seine Bäche füllen die Trinkwasserspeicher der Stadt Wien.

SDG 11 “Sustainable cities and communities” (Nachhaltige Städte und Gemeinden): Der Wienerwald ist wichtig, um mit den Herausforderungen von Ballungsgebieten umzugehen. Beispielsweise tragen die umliegenden Wälder der Stadt zur Reduzierung der Luftverschmutzung bei.

SDG 13 “Climate action” (Maßnahmen zum Klimaschutz): Im Allgemeinen stellen Wälder eine Senke von atmosphärischem CO2 dar.

SDG 15 “Life on land” (Leben an Land): Der Schutz des Wienerwaldes bedeutet eine Stärkung der natürlichen Resourcen, Steigerung der ländlichen Produktion der suburbanen Region, Bekämpfung des Klimawandels und Erhöhung der Biodiversität.

Die Hauptbaumart des Wienerwaldes ist die Buche (Fagus sylvatica), welche 50% des Holzvorrates ausmacht. Andere Baumarten wie Eiche (Quercus sp.), Hainbuche (Carpinus betulus), Lärche (Larix decidua), Waldkiefer (Pinus sylvestris), Schwarzkiefer (Pinus nigra), Tanne (Abies alba), Fichte (Picea abies), Douglasie (Pseudotsuga menziesii), Robine (Robinia peseudoacacia) und Spitzahorn (Acer platanoides) betragen gegenwärtig nur einen kleinen Teil der Waldbedeckung (Plöchinger and Prey, 1974; Rieder, 2002). Buche ist besonders anfällig auf Bodentrockenheit (Bolte et al., 2007; Ciais et al., 2005) und die zu erwartenden steigenden Lufttemperaturen werden aufgrund des Anstieges der potentiellen Evapotranspiration diese verschärfen (Bergh et al., 2003), zumal Buche sehr verschwenderisch mit dem Bodenwasser umgeht (Berger et al., 2006). Es ist zu erwarten, dass insbesondere auf seichtgründigen Böden die Regenerationsfähigkeit der Buche nach Trockenperioden während der Vegetationszeit abnimmt (Dittmar et al., 2003; Geßler et al., 2007; Kljun et al., 2007; Rennenberg et al., 2004; Richardson et al., 2013). Auf diesen Standorten werden die Buchenwälder wahrscheinlich von trockenresistenteren Eichen-Hainbuchen Gesellschaften abgelöst (Theurillat and Guisan, 2001), wobei diese natürliche Walddynamik mit großflächigen Störungen gekoppelt sein wird, und sich die Frage stellt, ob dann zukünftige Ökosystemleistungen erfüllt werden können (Dale et al., 2001; Lindner et al., 2010).

Bis jetzt ging die Waldbewirtschaftung davon aus, dass die Bedingungen für einen Standort gleichbleiben (gleicher Niederschlag, gleiche Temperatur). Damit ist es nun vorbei (Leitgeb und Englisch, 2020). Während in der klassischen Standortskartierung das Klima neben Relief und Geologie zu den stabilen Standortsfaktoren zählt, werden in der dynamischen Kartierung Klimaszenarien einbezogen, bei denen qualitative Standortsparameter durch quantitative Parameter ersetzt werden. Das geplante Projekt soll mittels einer dynamischen Wasserbilanz-Modellierung der untersuchten Standorte eine Hilfe für die Wahl klimafitter Baumarten des Wienerwaldes darstellen.

Um das Risiko im Klimawandel zu minimieren, sind Mischwälder anzustreben (Brang et al., 2014). Gegenwärtig ist das Erscheinungsbild des Wienerwaldes jedoch von reinen Buchenbeständen geprägt. Wenn wir mehr über die spezifische Trockenheitsresistenz der im Wienerwald vorkommenden Baumarten wissen, sollten wir in der Lage sein, die optimale klimafitte Baumartenkombination für verschiedene (dynamische) Standortsklassen zu formulieren. Beispielsweise, wurde die ausländische Baumart Douglasie bereits als Alternative zur Fichte im Wienerwald gepflanzt (Liesebach et al., 2008; Ruhm, 2013) ohne exaktes Wissen ihrer Reaktion auf Trockenstress.

Die Erfüllung folgender drei der 4 genannten Teilziele (siehe Projektziele) sind deshalb letztendlich von hoher Relevanz für die Praxis: A) Abschätzung des Risikos eines Rückgangs der Buchen im Wienerwald, C) Erstellung von Richtlinien für standortsbezogene klimafitte Baumartenkombinationen und D) Empfehlungen für Bestockungsziele und Managementmaßnahmen bei unterschiedlichen Klimaszenarien.

An dieser Stelle sei erwähnt, dass der Projektleiter in engem Austausch mit den forstlichen Leitern/innen der betroffenen Waldbesitzer steht: ÖBF (Forstbetrieb Wienerwald bzw. Biosphärenpark Wienerwald), Stadt Wien, Stift Heiligenkreuz und Stift Klosterneuburg.