Methoden zur Dendroklimatologie
Analyse der Zuwachsdynamik mittels Jahrringen
Die Beprobungen finden in Mitteleuropa an Standorten mit vielfältigen Umwelt- und Klimabedingungen statt. Die klimatischen Bedingungen reichen von stark ozeanisch (Niederschlagsmengen von 1000-1500 mm/a, moderat warme Sommer) bis zu deutlich kontinental (Niederschlagsmengen von unter 600 mm/a, heiße Sommer). Die Höhenlagen der Standorte reichen von über 1000 m.ü.NN bis unter 100 m.ü.NN. Neben diesen klimatischen Unterschieden, finden sich in den Regionen unterschiedliche Bodentypen. Die Bestände stocken auf z.B. Parabraunerde, Pararendzina, Pelosol-Braunerde, Braunerde oder Podsolige Braunerde. Insgesamt werden an 50 Beständen 750 Douglasien beprobt, um aussagekräftige Ergebnisse zu erhalten. Die Probenentnahme erfolgt mittels Zuwachsbohrern in 1,1 m Stammhöhe.
Die Oberflächenpräparation der fixierten Zuwachsbohrkerne erfolgt mittels Schlittenmikrotom. Die Vermessung der Jahrringbreiten wird mit einem Standardverfahren (Jahrringmessanlage) durchgeführt (Präzision 0,01 mm).
Die Baummittelkurven (Jahrringserien) werden herangezogen, um die zeitliche Dynamik des radialen Stammwachstums zu analysieren. Veränderungen der kurz-, mittel- und langfristigen Wuchsleistung können erkannt werden und lassen Rückschlüsse auf Veränderungen der Ertragsleistung zu.
Alle Daten, die für wissenschaftliche Artikel in inter-/nationalen Zeitschriften verwendet werden, werden nach guter wissenschaftlicher Praxis danach auf einschlägigen Repositorien frei zur Verfügung gestellt.
Analyse der Klima-Wuchssensitivität
Die Analysen zur Klima-Wuchssensitivität basieren auf Jahrringserien (Baummittelkurven).
Zur Berechnung der Klima-Wuchssensitivität werden tägliche Temperatur-, Niederschlags- und Dürredaten (HYRAS-Datensatz des Deutschen Wetterdienstes, Dürre-Daten des Helmholtz Zentrums für Umweltforschung) herangezogen. Aus diesen Basisdaten werden weitere Parameter berechnet, wie bspw. das tägliche Dampfdruckdefizit. Diese Bandbreite an verschiedenen Parametern erlaubt eine vollumfängliche statistische Abschätzung der Klimasensitivität der Douglasien am jeweiligen Standort bzw. einer Region.
Die Analysen werden jeweils über den Gesamtzeitraum (1951-heute) sowie über (tri-dekadische) Teilzeiträume (z.B. 1951-1980, 1991-2020) durchgeführt. Die Einteilung in Gesamt- und Teilzeiträume erlaubt die zeitliche Veränderung gegenüber verschiedenen Klimaparametern zu detektieren. Dies wird als besonders wichtig erachtet, da die Sensitivität der Douglasien am Standort altersabhängig sein kann. Weiterhin können so Perioden erkannt werden, in denen die Douglasien bspw. auf extreme, dekadische Klimaschwankungen reagieren, die wiederrum einen Anhaltspunkt für zukünftige Klimaanfälligkeiten liefern können. Die hier beschriebene Vorgehensweise erlaubt räumlich-zeitlich hochaufgelöste und differenzierte Klima-Wuchsanalysen.
Mittels Resistenz-Indizes sowie weiterer Kenngrößen (z.B. Erholungszeitraum nach Extremereignis) werden unter anderem Zuwachsdepressionen während des Stressjahres, die Erholungsfähigkeit und die Rückschwingung des Systems in die Ausgangslage ermittelt. Hieraus lässt sich ableiten, wie die Douglasien am Standort bzw. in einer Region auf zukünftige Wetterextreme reagieren könnten bzw. welche Auswirkungen diese auf das Wachstum haben. Bekannte Trockenjahre (1921, 1962, 1976, 2003, 2018) stehen hierbei im Fokus, da solche Trockenereignisse zukünftig vermehrt prognostiziert sind.
Evaluierung der Klimaanfälligkeit im Wald des 22. Jahrhunderts
Räumlich (12x12 km) und zeitlich (saisonal) hochaufgelöste Klimaprojektionen aus ReKliEs-De (Regionale Klimaprojektionen Ensemble für Deutschland) bilden die klimatologische Datengrundlage, die zur Evaluierung der Anbauwürdigkeit bzw. des Anbaurisikos der Douglasie in Deutschland herangezogen werden.
Die Erkenntnisse aus den einzelnen Arbeitspaketen der Verbundpartner (UHOH, HFR) zu Klima-Wuchssensitivität, Resistenz/Resilienz/Erholung und witterungs-spezifische Trockenstressanfälligkeit stellen die Douglasien-Datengrundlage dar, die mit den Klimaprojektionen aus ReKlieEs-De verknüpft werden, um räumlich hochaufgelöste Prognosen zur Anbauwürdigkeit, dem Anbaupotenzial und dem Anbaurisiko der Douglasie für den Wald des 22. Jhdts anzugeben.
Projektion des Douglasien-Wachstums bis 2100
Die Erkenntnisse aus den dendroklimatologischen und ökophysiologischen Studien werden herangezogen, um mittels Projektionsmodellen das Douglasien-Wachstum bis zum Jahr 2100 zu schätzen / modellieren. Da es sich hierbei um Modelle handelt (die Unsicherheiten beinhalten) erfolgt eine Fehlerabschätzung (Projection uncertainty). Das angewandte Modell basiert auf den Erkenntnissen zur Klima-Wuchssensitivität und dem absoluten Wachstum der Douglasien (Wuchsdynamik) und folgt dem sogenannten "Space-for-time Substitution" Ansatz. Es wird angenommen, dass das Wachstum/ die Reaktion/ die Klimasensitivität an einem bestimmten Ort in einer bspw. wärmeren Zukunft dem Wachstum/ der Reaktion/ der Klimasensitivität an einem anderen Ort von heute folgt. Gerade dieser Ansatz verlangt eine umfassende Probenentnahme an vielen verschiedenen Standorten in Mitteleuropa, um den "Space-for-time Substitution" Ansatz durchführen zu können und um das Douglasien-Wachstum unter prognostizierten Klimabedingungen vorherzusagen / abschätzen zu können.
Die entstandenen Ergebnisse bilden die Grundlage für Empfehlungen zum Anbaupotenzial bzw. –risiko der Douglasie im Wald des 22. Jhdts. In interaktiven, digitalen Karten werden Empfehlungen zum Anbau der Douglasie auf Basis der erzielten Ergebnisse gegeben. Die hohe räumliche Auflösung des verwendeten Rasters wird hierfür beibehalten, um auch kleinräumige bzw. regionale Gegebenheiten zu berücksichtigen. Da das quantitative Wachstum bis zum Jahr 2100 modelliert und dieses in Relation zum existierenden Zuwachs gesetzt wird, lassen sich Empfehlungen zum Douglasienanbau für das 22. Jhdt herleiten. Das erstellte interaktive Kartenmaterial wird zur freien Verfügung gestellt.
Geografische Herkunftsanalyse (Provenienz)
Zur Herkunftsanalyse durch DNA-analytische Verfahren werden je Bestand Kambiumproben entnommen. Das Kambium wird hierbei mit einem speziellen Stößel (20 mm Durchmesser) extrahiert.
Die Analysen erlauben die Zuordnung zur Varietät, die Zuordnung zu Herkunftsgebieten im heimischen Verbreitungsareal, die Ansprache der genetischen Vielfalt/ Diversität und der Vergleich zu anderen heimischen und nicht-heimischen Vorkommen. Weitere Rückschlüsse, z.B. auf die Höhenlage (m.ü.NN) des heimischen Verbreitungsareals, sind möglich. Dies ist notwendig, da die Klimasensitivität sowie die Risikoabschätzung maßgeblich mit der Herkunft der Douglasien in Zusammenhang stehen könnten. Aussagen zur Klimaanfälligkeit und zu zukünftigen Anbaurisiken können zielgerichteter getroffen werden.
Methoden zur Ökophysiologie
Ausgangslage und Zielsetzung
Für den Anbau der Douglasie in Europa fehlen belastbare ökophysiologisch und somit kausal belegte Informationen über deren Toleranz gegenüber saisonaler Trockenheits-, Hitze- und Frostereignissen. Das Forschungsvorhaben „Doug-Goes-Risk“ soll diese Kenntnislücke schliessen.
Ziel: Bestimmung der witterungs- und bodenfeuchtespezifischen Trockenstressanfälligkeit der Douglasie und deren Auswirkung auf den saisonalen Stammzuwachs im ozeanisch-kontinentalen Klimagradienten. Dabei sollen konkrete Grenzwerte der tolerierten Feuchteverhältnisse und Temperatur für Wachstumsinduktion und -hemmung sowie Frost- und Trockenstress ermittelt werden.
Methodischer Ansatz
Hierzu werden an vier Standorten entlang eines Klimagradienten in Deutschland an jeweils zehn Douglasien der Stammwasserfluss, die Stammradialveränderung und die Kambialtemperatur kontinuierlich erfasst. Stammradiusänderungen werden mit automatischen Dendrometern gemessen. Dazu werden Linearpotentiometer mit einer Genauigkeit von <10 µm auf Metallrahmen montiert und in 1,2 m Stammhöhe fixiert. Die Xylem-Flussdichte wird mit Granier-Sensoren ermittelt. Die 2 cm langen Sensorsonden werden neben den Dendrometern in das Stamm-Xylem eingebracht. Die Datenerfassung erfolgt mit Arduino-basierten, praxiserprobten Dataloggern (Loguino). Gleichzeitig werden die Bodenfeuchten kontinuierlich mit TDR-Sonden in zwei Tiefen und das Standortklima mit automatischen Wetterstationen gemessen. Die synoptische Analyse der physiologischen und klimatischen Parameter erlaubt dann die Abschätzung der Trockenheitssensitivität der Douglasie.
Analyse der täglichen Änderung des Stammradius
Zu berechnende Kernwerte sind der tägliche maximale und minimale Stammdurchmesser, die absolute radiale Änderung aus der Differenz der maximalen Stammradiuswerte zweier aufeinanderfolgender Tage. Diese Werte werden mit mikroklimatischen und Bodenparametern in Beziehung gesetzt. Erfassung der täglichen und saisonalen Transpiration: Die individuellen Xylemflussdaten werden auf den gesamten täglichen Stammwassertransport hochskaliert. Korrelationen zwischen dem täglichen Wasserverbrauch und mikroklimatischen und Bodenparametern werden genutzt, um die Hauptstressoren für den Wasserverbrauch in der Douglasie zu identifizieren. Die Reaktionsmuster der Transpiration und des apparenten Stammzuwachses werden untersucht.
Bodenfeuchte-Wasserfluss-Stammwachstums-Interaktion (Stressanfälligkeit)
Ziel: Synoptische Analyse von saisonalem und kurzfristigem Wasserstress und kambialen Wachstumsreduktion zur Charakterisierung der Wasserstress-Stammwachstum-Interaktion mit dem Ziel der Bestimmung der Trockenstresstoleranz und –resilienz.
Für die Douglasie wird deren Reaktion auf Trockenheit und Hitze anhand von ökophysiologischen Eigenschaften und funktionellen Merkmalen und deren intra-annuelle Veränderung und Anpassung untersucht. Hierbei ist neben der Kenntnis der mikroklimatischen Verhältnisse insbesondere die Bodenfeuchte ein entscheidender und in Szenarien des Klimawandels oft fehlender Umweltfaktor bei der Analyse physiologischer Vorgänge und bei der Interpretation des täglichen und saisonalen Zuwachsverhaltens. Die Quantifizierung des aktuellen Wasserzustands einer Pflanze erlaubt eine genauere Beurteilung, wie die Baumarten unter Trockenbedingungen funktioniert und ermöglicht eine (relative) Klassifizierung der Dürreresistenz.
Der Effekt des Standortklimas auf die laufende Veränderung der Stammdicke von Baumarten wird mit hochauflösenden elektronischen Dendrometern untersucht. Die der Radialveränderung von Stämmen zugrunde liegenden Prozesse (kambiale Zellteilung, hydraturbedingte diurnale Volumenänderung von Phloem und Xylem) laufen innerhalb von Stunden und Tagen ab. Die tägliche Veränderung des Stammradius wird als Differenz zwischen den maximalen Stammradien zweier aufeinanderfolgender Tage berechnet. Diese Werte werden ebenfalls mit mikroklimatischen und Bodenparametern in Beziehung gesetzt. Zeitgleich werden hierzu die Bodenfeuchte im Wurzelraum, das Standortklima und der Xylemwasserfluss im Stamm zeitlich hochauflösend erfasst.