Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/2067/3019
Title: Comparative analyses of multiple tree-ring parameters of beech along latitudinal gradients in different climatic regimes
Other Titles: Analisi comparative di differenti parametri degli anelli legnosi di faggio lungo un gradiente latitudinale in differenti regimi climatici
Authors: Rezaei Sangsaraki, Negar
Keywords: Fagus sylvatica;Climate change;Basal area increment;Carbon isotope discrimination;Forest management;Cambiamento climatico;Incremento di area basimetrica;Discriminazione isotopica del carbonio;Gestione forestale;BIO/03
Issue Date: 28-Jun-2016
Publisher: Università degli studi della Tuscia - Viterbo
Series/Report no.: Tesi di dottorato di ricerca. 28. ciclo
Abstract: 
European beech represents one of the most important European forest tree species, hence possible adverse factors affecting productivity and management of this species can have strong ecological and economic impacts in Europe.
Rising atmospheric CO2 concentration, higher temperatures and changes in precipitation are likely to have significant effects on the vegetation period, growth, health and distribution of trees as well as on forest ecosystems, and thus on the goods and services provided by forests.
In the 21st century, the Mediterranean Basin could be most sensitive to climate change due to global warming among the European regions and most of the current climate projections for Central Europe predict increased temperatures that are expected to cause an increase in the frequency and duration of intense summer droughts. Owing to its sensitivity towards low water availability and longer drought periods, physiological performance, growth and competitive ability of European beech may be adversely affected by such changing environmental conditions.
Most European Beech forests have been historically managed trough different silvicultural systems, which acting directly on structure affect many ecophysiological processes.
Tree rings are uniquely widespread relative to all comparable natural archives of climate signals and beech has been concerned extensively in tree ring studies, taking advantage of its widespread distribution, sensitivity to climate and longevity.
Air (CO2) and water absorbed by a tree are subtly modified by physiological processes and in response to the varying environment in which the tree lives, and these small changes affect isotopic ratios of elements into the uptaken molecules (CO2, H2O, nutrients).
In this context the objectives were to: (1) assess the relationship of climatic parameters, growth and carbon isotope discrimination (Δ13C), (2) evaluate the effect of different types of forest management on tree physiology and growth, (3) assess the response to recent atmopsheric CO2 concentration increment of trees growing in different sites.
Hence, we selected four beech forests along a latitudinal gradient: central and southern Apennines (Pian di Limina, CAL1 and Collelongo ABR1, Italy), pre-Alps (Pian del Cansiglio VEN1, Italy), and middle European lowlands (Zoolithenhöhle ZOO, Germany). At each site, co-dominant trees were sampled to build tree ring site chronology and five trees were selected to develop the site Δ13C chronology.
At all sites, our results suggested a negative effect of the temperature of the previous summer on the growth of the current year. This demonstrates that reserves are mobilized at bud break to sustain spring growth and that a severe drought period affecting reserve accumulation and partitioning may also influence phenology and spring growth rate in the subsequent year.
The effect of summer temperatures was significant in the Apennine sites, but in recent times a similar effect appeared also in the North sites of our transect.
In the cold sites we observed a positive relation between spring temperature and Δ13C, suggesting an "earliness effect". The increasing temperature causing the early onset of photosynthetic activities allowed trees to make a substantial part of their growth during the favorable spring conditions (i.e. soil water availability). At the same time increasing temperature affected the summer growth.
In all our sites we observed an active response of trees to the increase of atmospheric CO2 concentration, that is reflected in increasing water use efficiency (iWUE). The increase of iWUE from 1950 to 2013 was different among the sites, showing decreasing sensitivity from north to south, suggesting that trees adaptability involved both genetic and physiological mechanism. Despite higher iWUE, the expected increase in growth rates in response to rising atmospheric CO2 was observed only in the Zoolithenhöhle and Collelongo, where important silvicultural treatments occurred immediately before the study period. Probably, the increase of iWUE after silvicultural treatments is related to the increase of photosynthesis rate. In these sites we observed a negative correlation between Basal Area Increment (BAI) and Δ13C. In general the canopy is “organized” to maximize carbon fixation and thinning modified the ratio between
shade and light leaves, increasing the amount of light leaves that have a higher photosynthetic rates. This produced a reduction of internal CO2 concentration (Ci) in the canopy and a decrease of Ci/Ca producing an enrichment in 13C (less negative δ13C and lower Δ13C). After that canopy closed the gaps, the ratio between shade and light leaves changed again but this time with an increasing fraction of shade leaves, with an overall lower photosynthesis rate, that caused an increment of Ci, so our results suggested a reduction of growth related to an overall lower photosynthesis rate.
In conclusion, we observed that climate is changing (i.e. increase of temperature, increase of atmospheric CO2, changes in precipitation regimes) causing consequent effects on forest growth and tree physiology. Hence, a sustainable and adaptive forest management can have a central role in climate change mitigation and adaptation through preserving and enhancing forest carbon uptake.

Il faggio (Fagus sylvatica L.) rappresenta una delle più importanti specie arboree forestali europee, quindi possibile avversità che influenzano la sua produttività e la sua fisiologia possono avere forti impatti ecologici ed economici.
L'aumento della concentrazione di CO2 atmosferica, temperature più elevate e variazioni delle precipitazioni possono avere effetti significativi sulla lunghezza del periodo vegetativo,sulla crescita,sulla salute dei singoli alberi e sulla distribuzione della specie, così come sugli ecosistemi forestali, quindi sui beni e servizi forniti dalle foreste.
Nel XXI secolo, a causa del riscaldamento globale, il bacino del Mediterraneo potrebbe essere tra le più sensibili regioni Europee e la maggior parte delle proiezioni climatiche per l'Europa Centrale -prevedrebbe un aumento delle temperature con un conseguente aumento della frequenza e la durata di intense siccità estive. Vista la sensibilità alla bassa disponibilità idrica e ai lunghi periodi di siccità, le prestazioni fisiologiche, la crescita e la capacità competitiva del faggio possono essere influenzate negativamente da tali condizioni ambientali mutevoli.
La maggior parte delle faggete europee sono storicamente gestite seguendo diversi sistemi selvicolturali, che agendo sulla direttamente sulla struttura forestale influenzano molti processi ecofisiologici. Gli anelli degli alberi rappresentano gli archivi naturali più efficienti nel registrare i segnali climatici ed il faggio è stato ampiamente utilizzato in studi dendrocronologici per la sua ampia distribuzione geografica, la sensibilità al clima e la longevità.
La CO2 e l'acqua assorbita da un albero sono modificate da processi fisiologici e in risposta alle variazioni dell'ambiente in cui l'albero vive, questi cambiamenti influenzano il rapporto isotopico degli elementi assorbiti (C, H and O) e sono alla base della teoria isotopica applicata agli anelli legnosi.
In questo contesto, gli obiettivi erano: (1) valutare l'effetto dei parametri climatici sulla crescita e la fisiologia del faggio, (2) valutare l'effetto di diversi tipi di gestione forestale sulla fisiologia e la crescita, (3) valutare la risposta al recente incremento della concentrazione di CO2 atmosferica di alberi che cresciuti in luoghi diversi.
Quindi, abbiamo selezionato quattro faggete lungo un gradiente latitudinale: Appennino centrale e meridionale (Pian di Limina, CAL1 e Collelongo ABR1, Italia), pre-Alpi (Pian del Cansiglio VEN1, Italia), e pianure dell'Europa centrale (Zoolithenhöhle ZOO, Germania ). In ogni sito,sono stati campionati alberi co-dominanti per costruire cronologie di crescita e cinque alberi per sviluppare cronologie degli isotopi stabili del carbonio.
In tutti i siti, i nostri risultati suggeriscono un effetto negativo della temperatura dell'estate precedente sulla crescita dell'anno in corso. Questo ha dimostrato che le riserve sono mobilitate all'inizio della stagione vegetativa per sostenere la crescita iniziale e che un periodo di grave siccità che colpisce l'accumulo di riserve e il partizionamento può anche influenzare la fenologia e il tasso di crescita per l'anno successivo. L'effetto negativo delle temperature estive era significativo nei siti appenninici, ma in tempi recenti (1975-2013) un effetto simile è apparso anche nei siti più nord del nostro transetti.
Nei siti freddi abbiamo osservato una relazione positiva tra la temperatura primaverile e Δ13C, suggerendo un "effetto precocità". L'aumento di temperatura causa un anticipo dell'inizio dell' attività fotosintetica permettendo agli alberi di fare una parte sostanziale della loro crescita durante le condizioni favorevoli della primavera (ad esempio più disponibilità idrica nel suolo). Allo stesso tempo l'aumento di temperatura influisce sulla crescita estiva.
In tutti i nostri siti abbiamo osservato una risposta attiva degli alberi all'aumento della concentrazione di CO2 atmosferica, che si riflette nella crescente efficienza d'uso idrico (iWUE). L'incremento di iWUE è stato diverso tra i siti, mostrando una diminuzione della sensitività da nord a sud, il che suggerisce che nell' adattabilità delle piante ai cambiamenti climatici sono coinvolti sia meccanismi fisiologici che genetici. Nonostante l'incremento di iWUE, il previsto aumento dei tassi di crescita in risposta ad aumento di CO2 atmosferica è stata osservata solo nel Zoolithenhöhle e Collelongo, dove importanti trattamenti selvicolturali si sono effettuati immediatamente prima del periodo di studio. Probabilmente, l'aumento di iWUE dopo trattamenti selvicolturali è legato all'aumento del tasso di fotosintesi.
In questi siti abbiamo osservato una correlazione negativa tra l'Incremento di Area Basimetrica (BAI) e Δ13C. In generale, le chiome sono "organizzate" per massimizzare la fissazione del carbonio ed un diradamento modifica il rapporto tra foglie di ombra e di luce, aumentando la quantità delle ultime che hanno un tasso fotosintetico più elevato. Questo ha prodotto una riduzione della concentrazione interna CO2 (Ci) nella canopy e una diminuzione di Ci / Ca produce un arricchimento di 13C (δ13C meno negativo ed Δ13C più basso).
Dopo che chiome chiudono i gap, il rapporto tra foglie di luce e di ombra cambia nuovamente, ma questa volta con una componente crescente di foglie d'ombra, che un tasso di fotosintesi complessivo inferiore, che causa un incremento di Ci, così i nostri risultati indicano una riduzione della crescita correlati ad un tasso di fotosintesi complessivo inferiore.
In conclusione, abbiamo osservato che il clima sta cambiando (cioè aumento della temperatura, aumento di CO2 atmosferica, cambiamenti nei regimi delle precipitazioni) e di conseguenza anche i suoi effetti sulla crescita delle foreste e la fisiologia delle piante. Quindi una gestione sostenibile e adattativa delle foreste può avere un ruolo centrale nella mitigazione e nell'adattamento ai cambiamenti climatici attraverso il mantenimento e il miglioramento della capacità di assorbimento di carbonio delle foreste.
Description: 
Dottorato di ricerca in Scienze e tecnologie per la gestione forestale e ambientale
URI: http://hdl.handle.net/2067/3019
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