Roger Köchli

Das Programm «Langfristige Waldökosystem-Forschung» in der Schweiz liefert detaillierte Ergebnisse zu den Auswirkungen von Luftverschmutzung und Klimaänderung auf die Waldböden und Baumernährung. Seit den 1980er-Jahren sind die Emissionen von Schwefeldioxid und Stickoxiden in Mitteleuropa signifikant zurückgegangen. Diese Trends können auch für die Immissionen in der Schweiz bestätigt werden. Die Monitoringdaten zeigen, dass die Auswaschung von Sulfat aus dem Bodenprofil zurückgegangen ist. Auch die Stickstoffauswaschung nahm grösstenteils ab, jedoch nicht an Standorten mit weiterhin hohen Stickstoffeinträgen, wo sogar ansteigende Trends beobachtet wurden. Daher bleibt die Stickstoffbelastung trotz der insgesamt positiven Entwicklungen ein Problem. Ein weiterer kritischer Befund ist die fortschreitende Bodenversauerung, die sich in abnehmenden pH-Werten und niedrigen Verhältnissen von basischen Kationen zu Aluminium zeigt. Die Böden puffern die sauren Depositionen durch die Auswaschung von Nährstoffen und die Freisetzung von Aluminium. Diese Veränderungen in der Bodenlösungschemie können lange anhalten und die Nährstoffverfügbarkeit für die Bäume beeinträchtigen. Dies ist einer der Faktoren, die zu einem signifikanten Rückgang wichtiger Nährstoffe wie Stickstoff, Phosphor und Schwefel in den Blättern geführt haben. Dies weist auf eine Verschlechterung der Baumernährung hin. Zusammengefasst zeigen die Ergebnisse, dass trotz des Rückgangs saurer Depositionen die langfristigen Auswirkungen auf die Waldböden und die Baumernährung bestehen bleiben, was sich auf die Gesundheit und Vitalität der Schweizer Wälder auswirken kann.

Trends in atmospheric deposition and effects on soil water quality and tree nutrition
Long-term forest ecosystem research (LWF) in Switzerland provides detailed results on the impacts of air pollution and climate change on forest soils and tree nutrition. Since the 1980s, sulphur dioxide and nitrogen oxides emissions have significantly decreased in Central Europe. These trends can also be confirmed for emissions in Switzerland. Monitoring data show that sulphate leaching from the soil profile has decreased. Nitrogen leaching has also mostly declined, but not at sites with persistently high nitrogen inputs, where even increasing trends have been observed. Therefore, nitrogen deposition remains a problem despite the overall positive developments. Another critical finding is the ongoing soil acidification, reflected in decreasing pH values and low ratios of base cations to aluminium. The soils buffer the acidic deposition through nutrient leaching and aluminium release. These changes in soil solution chemistry can persist for a long time and impair nutrient availability for trees. This is one of the factors contributing to a significant decline in key nutrients such as nitrogen, phosphorus, and sulphur in the leaves. In summary, the results show that despite the reduction in acidic deposition, the long-term impacts on forest soils and tree nutrition persist, potentially affecting the health and vitality of Swiss forests.

In an increasingly dry environment, it is crucial to understand how tree species use soil water and cope with drought. However, there is still a knowledge gap regarding the relationships between species-specific stomatal behaviour, spatial root distribution, and root water uptake (RWU) dynamics.
Our study aimed to investigate above- and below-ground aspects of water use during soil drying periods in four temperate tree species that differ in stomatal behaviour: two isohydric tracheid-bearing conifers, Scots pine and Norway spruce, and two more anisohydric deciduous species, the diffuse-porous European beech, and the ring-porous Downy oak. From 2015 to 2020, soil-tree-atmosphere-continuum parameters were measured for each species in monospecific forests where trees had no access to groundwater. The hourly time series included data on air temperature, vapor pressure deficit, soil water potential, soil hydraulic conductivity, and RWU to a depth of 2 m. Analysis of drought responses included data on stem radius, leaf water potential, estimated osmotically active compounds, and drought damage.
Our study reveals an inherent coordination between stomatal regulation, fine root distribution and water uptake. Compared to conifers, the more anisohydric water use of oak and beech was associated with less strict stomatal closure, greater investment in deep roots, four times higher maximum RWU, a shift of RWU to deeper soil layers as the topsoil dried, and a more pronounced soil drying below 1 m depth. Soil hydraulic conductivity started to limit RWU when values fell below 10⁻³ to 10⁻⁵ cm/d, depending on the soil. As drought progressed, oak and beech may also have benefited from their leaf osmoregulatory capacity, but at the cost of xylem embolism with around 50 % loss of hydraulic conductivity when soil water potential dropped below −1.25 MPa.
Consideration of species-specific water use is crucial for forest management and vegetation modelling to improve forest resilience to drought.

Bewirtschaftung und Umweltbedingungen beeinflussen die Gestalt von Wäldern. Mit der Einrichtung eines Naturwaldreservats wurden am Bettlachstock im Kanton Solothurn die Weichen zur Entwickung in Richtung eines Naturwaldes gestellt. Im Waldreservat werden im Rahmen des «Monitoring Naturwaldreservate Schweiz» mit Stichprobeninventuren die natürlichen Prozesse der Waldentwicklung und in der «Langfristigen Waldökosystemforschung (LWF)» mit kontinuierlichen Messungen der Einfluss von Luftverschmutzung und Klimawandel auf den Wald erforscht. Beides sind langfristige Untersuchungen, die Methoden der Waldinventur und Erfassung des Waldzustandes verwenden. Das Reservat ist aufgrund der Standortsvielfalt reich an verschiedenen Baumarten. Diese widerspiegeln das natürliche Artenspektrum. Der hohe Anteil an Fichten zeigt jedoch, dass die frühere Bewirtschaftung diese bewusst gefördert hat. Die Luftbelastung und das Klima hatten und haben nachweislich einen Einfluss auf den Wald am Bettlachstock. Die Die Luftbelastung ist eher rückläufig und die Klimaveränderung eher zunehmend. Beide stehen aus heutiger Sicht grundsätzlich der Entwicklung zu einem naturnahen Wald an diesem Standort nicht im Wege. Eine Zunahme von trockenen Sommern ist zu erwarten und könnte die Standorteigenschaften verändern. In Teilen des Reservats könnte dies mittelfristig zu vermehrtem Absterben von Tannen und Fichten und in der Folge zu einer Zunahme des Totholzvolumens führen. Langfristig könnte dies Verschiebungen der Höhenstufen und in der Baumartenzusammensetzung hin zu mehr Laubbaumarten auslösen.

Central Europe has been experiencing unprecedented droughts during the last decades, stressing the decrease in tree water availability. However, the assessment of physiological drought stress is challenging, and feedback between soil and vegetation is often omitted because of scarce belowground data. Here we aimed to model Swiss forests' water availability during the 2015 and 2018 droughts by implementing the mechanistic soil-vegetation-atmosphere-transport (SVAT) model LWF-Brook90 taking advantage of regionalized depth-resolved soil information. We calibrated the model against soil matric potential data measured from 2014 to 2018 at 44 sites along a Swiss climatic and edaphic drought gradient. Swiss forest soils' storage capacity of plant-available water ranged from 53 mm to 341 mm, with a median of 137 ± 42 mm down to the mean potential rooting depth of 1.2 m. Topsoil was the primary water source. However, trees switched to deeper soil water sources during drought. This effect was less pronounced for coniferous trees with a shallower rooting system than for deciduous trees, which resulted in a higher reduction of actual transpiration (transpiration deficit) in coniferous trees. Across Switzerland, forest trees reduced the transpiration by 23% (compared to potential transpiration) in 2015 and 2018, maintaining annual actual transpiration comparable to other years. Together with lower evaporative fluxes, the Swiss forests did not amplify the blue water deficit. The 2018 drought, characterized by a higher and more persistent transpiration deficit than in 2015, triggered widespread early wilting across Swiss forests that was better predicted by the SVAT-derived mean soil matric potential in the rooting zone than by climatic predictors. Such feedback-driven quantification of ecosystem water fluxes in the soil–plant-atmosphere continuum will be crucial to predicting physiological drought stress under future climate extremes.

Soil microorganisms such as bacteria and fungi play important roles in the biogeochemical cycling of soil nutrients, because they act as decomposers or are mutualistic or antagonistic symbionts, thereby influencing plant growth and health. In the present study, we investigated the vertical distribution of the soil microbiome to a depth of 2 m in Swiss drought-exposed forests of European beech and oaks on calcareous bedrock. We aimed to disentangle the effects of soil depth, tree (beech, oak), and substrate (soil, roots) on microbial abundance, diversity, and community structure. With increasing soil depth, organic carbon, nitrogen, and clay content decreased significantly. Similarly, fine root biomass, microbial biomass (DNA content, fungal abundance), and microbial alpha-diversity decreased and were consequently significantly related to these physicochemical parameters. In contrast, bacterial abundance tended to increase with soil depth, and the bacteria to fungi ratio increased significantly with greater depth. Tree species was only significantly related to the fungal Shannon index but not to the bacterial Shannon index. Microbial community analyses revealed that bacterial and fungal communities varied significantly across the soil layers, more strongly for bacteria than for fungi. Both communities were also significantly affected by tree species and substrate. In deep soil layers, poorly known bacterial taxa from Nitrospirae, Chloroflexi, Rokubacteria, Gemmatimonadetes, Firmicutes and GAL 15 were overrepresented. Furthermore, archaeal phyla such as Thaumarchaeota and Euryarchaeota were more abundant in subsoils than topsoils. Fungal taxa that were predominantly found in deep soil layers belong to the ectomycorrhizal Boletus luridus and Hydnum vesterholtii. Both taxa are reported for the first time in such deep soil layers. Saprotrophic fungal taxa predominantly recorded in deep soil layers were unknown species of Xylaria. Finally, our results show that the microbial community structure found in fine roots was well represented in the bulk soil. Overall, we recorded poorly known bacterial and archaeal phyla, as well as ectomycorrhizal fungi that were not previously known to colonize deep soil layers. Our study contributes to an integrated perspective on the vertical distribution of the soil microbiome at a fine spatial scale in drought-exposed forests.

Böden sind Lebensraum für unzählige Lebewesen, die beim Abbau und Umbau von organischer Substanz eine wichtige Rolle spielen. Gesunde Böden sind für die Nachhaltigkeit im Wald eine grundlegende Voraussetzung. Dieses Merkblatt gibt einen Einblick in die Vielfalt der Lebewesen in Waldböden. Es dient der Ausbildung und Information für Forstwart- und Biologielaborant- Lernende, Studierende und weiteren interessierten Personen aus dem Forstund Umweltbereich.

Les sols sont l'habitat d'innombrables organismes vivants qui jouent un rôle important dans la décomposition et la transformation de la matière organique. Des sols sains sont une condition essentielle de la durabilité en forêt. Cette Notice donne un aperçu de la diversité des organismes vivants dans les sols forestiers. Elle contribue à la formation et à l'information des apprentis forestiers-bûcherons ou laborantins en biologie, des étudiants et d'autres personnes intéressées issues des domaines forestier et environnemental.

The TreeNet research and monitoring network has been continuously collecting data from point dendrometers and air and soil microclimate using an automated system since 2011. The goal of TreeNet is to generate high temporal resolution datasets of tree growth and tree water dynamics for research and to provide near real-time indicators of forest growth performance and drought stress to a wide audience. This paper explains the key working steps from the installation of sensors in the field to data acquisition, data transmission, data processing, and online visualization. Moreover, we discuss the underlying premises to convert dynamic stem size changes into relevant biological information. Every 10 min, the stem radii of about 420 trees from 13 species at 61 sites in Switzerland are measured electronically with micrometer precision, in parallel with the environmental conditions above and below ground. The data are automatically transmitted, processed and stored on a central server. Automated data processing (R-based functions) includes screening of outliers, interpolation of data gaps, and extraction of radial stem growth and water deficit for each tree. These long-term data are used for scientific investigations as well as to calculate and display daily indicators of growth trends and drought levels in Switzerland based on historical and current data. The current collection of over 100 million data points forms the basis for identifying dynamics of tree-, site- and species-specific processes along environmental gradients. TreeNet is one of the few forest networks capable of tracking the diurnal and seasonal cycles of tree physiology in near real-time, covering a wide range of temperate forest species and their respective environmental conditions.

Im Forschungs-Netzwerk TreeNet werden seit rund zehn Jahren Wachstum und Wasserhaushalt von Bäumen mit Punktdendrometern erforscht. Alle zehn Minuten werden schweizweit an gut 300 Bäumen automatisch Stammradien in Mikrometergenauigkeit gemessen. TreeNet befindet sich wortwörtlich am Puls der Bäume.

Der radiale Stammzuwachs von Holz und Rinde von Bäumen kann bis heute nur teilweise auf Umweltbedingungen zurückgeführt werden. Das Forschungsnetzwerk TreeNet versucht nun, dem Rätsel mit hochaufgelösten, grossflächig gemessenen Stammradius-Daten auf die Spur zu kommen.

Böden sind Lebensraum für unzählige Lebewesen, die beim Abbau und Umbau von organischer Substanz eine wichtige Rolle spielen. Gesunde Böden sind für die Nachhaltigkeit im Wald eine grundlegende Voraussetzung. Dieses Merkblatt gibt einen Einblick in die Vielfalt der Lebewesen in Waldböden. Es dient der Ausbildung und Information für Forstwart- und Biologielaborant- Lernende, Studierende und weiteren interessierten Personen aus dem Forst- und Umweltbereich.

Les sols sont l’habitat d’innombrables organismes vivants qui jouent un rôle important dans la décomposition et la transformation de la matière organique. Des sols sains sont une condition essentielle de la durabilité en forêt. Cette Notice donne un aperçu de la diversité des organismes vivants dans les sols forestiers. Elle contribue à la formation et à l’information des apprentis forestiers-bûcherons ou laborantins en biologie, des étudiants et d’autres personnes intéressées issues des domaines forestier et environnemental.

Dieser Beitrag beschreibt die Durchwurzelungssituation der Vogelbeere (Sorbus aucuparia) auf vernässten Böden und deren Einfluss auf hydrologisch wirksame Bodeneigenschaften.
Es wurden Beregnungsversuche durchgeführt und der Bodenwassergehalt mit Wassergehaltssensoren gemessen. Anhand von Bohrproben aus dem Wurzelraum konnten Wurzeldichten in verschiedenen Horizonten analysiert werden.
Auf Nassböden weist die Vogelbeere flache Wurzelstrukturen auf und vermag vernässte Horizonte nicht in grösserem Mass zu durchdringen. Von Vogelbeeren bestockte Nassböden können in den obersten 40 cm zwischen 3.5 - 20 mm Wasser speichern. Somit kann bei einem Extremereignis nur ein kleiner Teil des Niederschlagswassers in den obersten 40 cm Boden gespeichert werden.

This paper characterizes the root distribution of rowan trees (Sorbus aucuparia) on hydromorphic soils and their influence on hydrological soil properties.
Irrigation experiments were conducted and soil moisture variations were measured at different depths. On the basis of soil cores root densities at different horizons were analyzed.
On hydromorphic soils, rowan trees show a shallow root distribution and are not able to penetrate hydromorphic horizons. Soils, covered by rowan trees are able to store a water volume of 3.5 - 20 mm in the upper 40 cm. In case of heavy precipitation only a small amount of water can be stored in the soil.

Increasing Scots pine (Pinus sylvestris L.) mortality has been recently observed in the dry inner valleys of the European Alps. Besides drought, infection with pine mistletoe (Viscum album ssp. austriacum) seems to play an important role in the mortality dynamics of Scots pines, but how mistletoes promote pine decline remains unclear. To verify whether pine mistletoe infection weakens the host via crown degradation, as observed for dwarf mistletoes, we studied the negative effects of pine mistletoe infestation on the photosynthetic tissues and branch growth of pairs of infested and non-infested branches. Pine mistletoe infection leads to crown degradation in its host by reducing the length, the radial increment, the ramification, the needle length and the number of needle years of the infested branches. This massive loss in photosynthetic tissue results in a reduction in primary production and a subsequent decrease in carbohydrate availability. The significant reduction in needle length due to mistletoe infection is an indication for a lower water and nutrient availability in infested branches. Thus, mistletoe infection might lead to a decrease in the availability of water and carbohydrates, the two most important growth factors, which are already shortened due to the chronic drought situation in the area. Therefore, pine mistletoe increases the risk of drought-induced mortality of its host when growing in a xeric environment.