Managing Douglas fir stands in Italy: calibration and validation of Forest Vegetation Simulator (FVS) and analysis of climate sensitivity for future calibration of Climate-FVS

Abstract

In Italy, Douglas fir (Pseudotsuga menziesii (Mirb.) Franco) has a high potential in terms of wood production and drought tolerance. Testing exotic tree species in Italy dates back to the early years of the last century with the valuable work done by Aldo Pavari. Distinctively, Douglas fir has provided the most satisfactory results in terms of growth and yield. However, a growth reference for mature stands is lacking. We calibrated and validated the Pacific Northwest variant of FVS to Douglas fir plantations in Italy and ran the calibrated model to test management alternatives. We calibrated the height-diameter, crown width, crown ratio, and diameter increment submodels of FVS using multipliers fitted against tree measurements (n=704) and increment cores (180) from 20 plots across th Apennine range. Validation was carried out on tree-level variables sampled in 1996 and 2015 in two independent permanent plots (275 trees). Multiplier calibration improved the error of crown submodels by 7-19%; self-calibration of the diameter growth submodel produced scale factors of 1.0 – 5.2 for each site. Validation of 20-years simulations was more satisfactory for tree diameter (- 6% to +1% mean percent error) than for height (-10% – +8%). Calibration reduced the error of predicted basal area and yield after 50 years with respect to yield tables. Simulated response to thinning diverged depending on site index and competition intensity. FVS is a viable option to model the yield of Douglas fir plantations in Italy, reflecting current understanding of forest ecosystem dynamics and how they respond to management interventions. First large-scale experimental plantations of Douglas fir were established between 1922-1938, with the surviving stands now exceeding conventional rotation ages (50-60 years). These stands offer a great opportunity to carry out research on sensitivity of tree growth with respect to climate by this nonnative tree species for the purpose of adaptive forest management in the Mediterranean area. To this end, we have carried out dendroclimatic analyses in two 80-90 years old Douglas fir stands: the northern most (Tuscany) and the southern most (Calabria) ones among the oldest plantations. We sampled twenty dominant trees per stand and built a standardized mean ring-width chronology for each site. We tested bootstrap correlations between site chronologies and minimum temperature, maximum temperature, precipitation and standardized precipitation index (SPI) from the database ClimateEU. We used the global correlation function across the entire lifetime of the stands, and the moving correlation function to analyze periodic growth trends. The two sites share a positive correlation between tree growth and winter-spring temperatures, and a negative correlation with summer minima and maxima. Precipitation and SPI of the previous autumn are negatively correlated with tree growth at both sites. Spring-summer precipitation and water balance have a positive effect on growth in the northernmost site only, although the southernmost site displayed a summer dry period. Differences in correlation strength and significant months are likely due to the different latitude of the two sites, continentality (distance from the sea), and adaptive physiologic activity (e.g., stopping cambial activity during the summer dry period). A shift and increase in summer temperature and precipitation sensitivity in the later period of analysis may be indicative of the effect of climate warming. Douglas fir in Southern Europe has thus been proved to be sensitive to winter frost and spring water balance, but can tolerate summer drought, and has potential to be planted extensively as a supplementary timber resource under mountain Mediterranean climate.

In Italia, la Douglasia (Pseudotsuga menziesii (MIRB.) Franco) ha un alto potenziale in termini di produzione di legno e di tolleranza alla siccità. I primi test di specie arboree esotiche in Italia risalgono ai primi anni del secolo scorso, con il prezioso lavoro svolto da Aldo Pavari. La Douglasia ha fornito risultati più soddisfacenti in termini di crescita rispetto a quelli di produttività. Tuttavia, esiste una carenza di riferimenti scientifici per la crescita di popolamenti maturi. Considerando che i primi impianti sperimentali di Douglasia in Italia risalgono al periodo 1922-1938, oggi si pone il problema di gestione di questi popolamenti che hanno un’età superiore al turno convenzionale (50- 60 anni). In questo lavoro è stata calibrata e validata la variante Pacifico nord-occidentale di FVS “Forest Vegetation Simulator” (PN-FVS) per piantagioni di Douglasia in Italia e, in una seconda fase, è stato utilizzato il modello calibrato per testare alternative di gestione. In particolare, sono state calibrate le funzioni di altezza-diametro, larghezza di chioma, il rapporto di chioma e incremento diametrico, utilizzando moltiplicatori appropriati per 704 alberi misurati e 180 incrementi di carotine legnose provenienti da 20 aree di saggio in tutta la catena appenninica. I test di validazione sono stati eseguiti su variabili a livello di singolo albero campionati nel 1996 e nel 2015 in due aree di saggio permanenti (275 alberi). I moltiplicatori di calibrazione hanno migliorato l'errore delle funzioni di crescita della chioma del 7-19%; l’auto-calibrazione del modello di incremento di diametro ha prodotto fattori di scala di 1,0-5,2 per ogni sito. Le simulazioni di validazione nei 20 anni analizzati, sono state più soddisfacente per il diametro (-6% a + 1% di errore medio percentuale) rispetto alle altezze (-10% - + 8%). La calibrazione di PN-FVS ha ridotto l'errore di predizione di area basimetrica, per il periodo 0-50 anni rispetto alle tavole alsometriche di Cantiani del 1965. La risposta simulata al diradamento diverge a seconda del sito e dell'intensità di competizione. FVS è una valida opzione per simulare il rendimento delle piantagioni di Douglasia in Italia in base alle attuali comprensioni delle dinamiche degli ecosistemi forestali e come risposta ad interventi di gestione. Inoltre questi boschi hanno offerto una grande opportunità per svolgere attività di ricerca sulla sensibilità di crescita degli alberi in relazione al clima ai fini della gestione forestale adattiva nel bacino del Mediterraneo. A tal fine, sono state svolte analisi dendroclimatiche in due siti di 80-90 anni: la più settentrionale (Toscana) e la più meridionale (Calabria) tra le piantagioni più vecchie in Italia. Sono stati campionati 20 alberi dominanti per sito e costruito una cronologia media standardizzata per ciascun sito. Sono state effettuate correlazioni tra queste cronologie e le variabili climatiche estratte dal database ClimateEU: temperatura minima, temperatura massima, precipitazione e indice di precipitazione standardizzato (SPI). E’ stata applicata la funzione di correlazione globale attraverso l'intero ciclo di vita degli alberi e la funzione di correlazione a finestra mobile di 30 anni per analizzare le singole tendenze di crescita in periodi più brevi. I due siti condividono una correlazione positiva tra la crescita degli alberi e le temperature invernali-primaverili e una correlazione negativa con temperature minime e massime in estate. La precipitazione e SPI dell'autunno precedente sono correlati negativamente con la crescita degli alberi in entrambi i siti. Le precipitazioni in primavera-estate hanno un effetto positivo sulla crescita soltanto nel sito più a nord (Acquerino) e il sito più meridionale evidenzia un periodo di siccità estiva. Le differenze di correlazione tra le due aree sono probabilmente dovute a: diversa latitudine dei due siti, continentalità (distanza dal mare) e attività fisiologica (ad esempio, interrompendo l'attività cambiale durante il periodo di siccità estiva). L’aumento della temperatura estiva e una maggiore sensibilità alle precipitazioni nell'ultimo periodo analizzato possono essere un indice degli effetti del riscaldamento climatico. Nel Sud Europa la Douglasia ha manifestato una maggiore sensibilità alle gelate invernali con una certa tolleranza alla siccità estiva, dimostrando di poter essere impiegata come risorsa legnosa supplementare in un clima mediterraneo.