Dr. Stefan Hunziker

Il monitoraggio e lo studio dei boschi al Sud delle Alpi ci hanno consentito di approfondire le conoscenze sugli effetti di cambiamenti climatici e inquinamento atmosferico: frequenza e intensità di eventi siccitosi sono aumentate; la qualità dell’aria negli ultimi 30 anni è sensibilmente migliorata in seguito all’adozione di misure per la riduzione di emissioni, ma, in certe zone, deposizioni azotate e ozono destano ancora preoccupazione.

Long-term forest ecosystem research south of the Alps: the results
The monitoring and study of forests south of the Alps have enabled us to gain a deeper understanding of the effects of climate change and air pollution: the frequency and intensity of drought events have increased; air quality has improved significantly over the last 30 years as a result of emission reduction measures, but nitrogen deposition and ozone are still a cause for concern in certain areas.

Wälder sind eine wichtige Kohlenstoffsenke, stehen jedoch durch sich häufende Klimaextreme wie Hitze und Trockenheit zunehmend unter Druck. Nach 25 Jahren Monitoring an den 19 Standorten des Programms «Langfristige Waldökosystem-Forschung» zeigen sich Veränderungen in der Waldstruktur und im Wachstum. Die Wälder wurden generell dichter und älter. Das Wachstum nahm sowohl in den Tief- als auch in den Hochlagen ab, vor allem bei Fichte, Tanne und Buche. Das Wachstum korreliert auf Einzelbaum- und auf Bestandesebene mit Bestandesstruktur (Bestandesdichte und Alter) und negativ mit Temperatur und Trockenheit. Verglichen mit den 1990er-Jahren weisen die Wälder an den untersuchten Standorten heute eine geringere Produktivität bei gleicher Bestandesdichte auf, was auf eine Abnahme der Standortskapazität hinweist.

25 years of growth development in 19 Swiss forests under increasing drought
Forests are an important carbon sink but are under increasing pressure due to more frequent climate extremes such as heat and drought. After 25 years of monitoring at the 19 sites of the Long-Term Forest Ecosystem Research programme (LWF), changes in forest structure and growth are evident. The forests have generally become denser and older. Growth decreased in both low- and high-altitude sites, especially for spruce, fir and beech. Growth was correlated with stand structure (stand density and age) at individual tree and stand level, as well as negatively with temperature and drought. Compared to the 1990s, the LWF forests today show lower productivity at the same stand density, which indicates a decrease in site capacity.

• Defoliation in Swiss forests is tending to increase, with strong annual fluctuations. This is apparent from the results of the Sanasilva Inventory and the Intercantonal Forest Observation Programme (WDB).
• An increase in mortality is observed in some tree species, this also being subject to annual fluctuations.
• The annual fluctuations can be partly explained by extreme events such as storms or drought years. The upward trends seen over the past ten years could intensify further if the extreme events predicted by climate models become more frequent.

Der Zustand der Baumkrone ist ein wichtiger Indikator für die Vitalität eines Baumes. In Schweizer Wäldern wird der Kronenzustand seit 1985 im Rahmen der Sanasilva-Inventuren und seit 1994 als Teil des Forschungsprogramms «Langfristige Waldökosystem-Forschung» erhoben. In dieser Periode hat die Vitalität des Waldes deutlich abgenommen. Starke und grossflächige Verschlechterungen zeigten sich insbesondere nach Trockensommern. Der Zustand der Baumkronen ist auch ein Indikator für die Absterbewahrscheinlichkeit eines Baumes in den Folgejahren. Hauptursache für den Vitalitätsverlust des Waldes ist der erhöhte Trockenstress, der sich besonders auf Wälder in tieferen Lagen und trockenen Regionen der Schweiz auswirkt. Ein Extrembeispiel dafür ist die Entwicklung der Waldföhre (Pinus sylvestris L.) im Wallis. Regional starb dort in mehreren Wellen ein grosser Teil der Waldföhren ab. Über die Jahre haben sich die Erkenntnisse zu Ursachen und Prozessen immer klarer abgezeichnet. Die immer längeren und wertvolleren Zeitreihen einer Vielzahl beobachteter Parameter erlauben es uns, auch einzelne Ereignisse und Entwicklungen in einen grösseren Kontext zu stellen und zu interpretieren. Kontinuierliche Langzeitbeobachtungen sind deshalb unersetzlich, um Veränderungen im Wald früh zu erkennen und zu verstehen und daraus entsprechende Empfehlungen an die Politik und Praxis abzuleiten.

Good things take time: findings on forest health from long-term observations

The condition of the tree crown is an important indicator of the vitality of a tree. In Swiss forests, the crown condition has been surveyed since 1985 as part of the Sanasilva inventories and since 1994 as part of the research programme "Longterm Forest Ecosystem Research". During this period, the vitality of the forest has declined significantly. Pronounced and widespread deterioration was particularly evident after dry summers. The condition of the tree crowns is also an indicator of the probability of a tree dying within a few years. The main reason for the loss of vitality in the forest is the increased drought stress, which particularly affects forests at lower altitudes and in dry regions of Switzerland. An extreme example of this is the development of the Scots pine (Pinus sylvestris L.) in Valais. In several waves, a large proportion of the Scots pines there died off regionally. Over the years, the findings on causes and processes have become increasingly clear. The increasingly longer and more valuable time series of a large number of observed parameters also allow us to place and interpret individual events and developments in a wider context. Continuous long-term observations are therefore indispensable for recognising and understanding changes in the forest at an early stage and for making appropriate recommendations to policymakers.

Il diradamento delle chiome nel bosco svizzero tende ad aumentare ed è associato a forti fluttuazioni annuali. È quanto emerge dai risultati dell'Inventario Sanasilva e dal Programma intercantonale di osservazione permanente (WDB).
• Per alcune specie arboree si osserva un aumento della mortalità, anch'essa soggetta a fluttuazioni annuali,
• riconducibili in parte agli eventi estremi come tempeste o annate siccitose. Le tendenze ormai in aumento da dieci anni potrebbero intensificarsi se gli eventi estremi previsti dai modelli climatici diventassero più frequenti.

• Die Kronenverlichtung in den Schweizer Wäldern nimmt, bei starken jährlichen Schwankungen, tendenziell zu. Das zeigen die Ergebnisse der Sanasilva-Inventur sowie der Interkantonalen Walddauerbeobachtung (WDB).
• Bei einigen Baumarten wird ein Anstieg der Mortalität beobachtet, der ebenfalls jährlichen Schwankungen unterworfen ist.
• Die jährlichen Schwankungen lassen sich zum Teil durch Extremereignisse wie Sturm oder ein Trockenjahr erklären. Die seit zehn Jahren ansteigenden Trends könnten sich weiter verstärken, wenn sich die von den Klimamodellen vorhergesagten Extremereignisse häufen.

• La défoliation dans les forêts suisses tend à augmenter, avec de fortes fluctuations annuelles. C'est ce qui ressort des résultats de l'inventaire Sanasilva
et de l'Observation intercantonale permanente des forêts (WDB).
• Une hausse de la mortalité est observée chez certaines essences, là aussi avec des fluctuations annuelles.
• Celles-ci s'expliquent en partie par des événements extrêmes tels que tempêtes ou années sèches. Les tendances à la hausse observées depuis dix ans pourraient s'accentuer si les événements prédits par les modèles climatiques s'accumulent.

Wälder tragen zur Erneuerung des Grundwassers in Trinkwasserqualität bei. Wiederholte Untersuchungen zeigen, dass die hohe Stickstoffdeposition immer noch zu erhöhten Konzentrationen von Nitrat im Sickerwasser aus Wäldern führen kann. Zu hohe Nitratwerte im Trinkwasser können die Gesundheit für Mensch und Umwelt beeinträchtigen. Die Bodeninventur auf fünf ausgewählten Flächen des Programms «Langfristige Waldökosystem-Forschung» zeigt, dass die Stickstoffsättigung auf einem Teil der Flächen, trotz Rückgang der Einträge, eher zugenommen hat. Dadurch sinkt die Fähigkeit von Böden, Stickstoff aufzunehmen, womit das Risiko erhöhter Nitratauswaschung tendenziell steigt.

Die Ergebnisse der Sanasilva-Inventur zeigen, dass die Kronenverlichtung in den Schweizer Wäldern bei starken jährlichen Schwankungen tendenziell zunimmt. Die jährlichen Schwankungen lassen sich zum Teil durch Extremereignisse wie Trockenjahre oder Stürme erklären. Die langfristige Abnahme der Vitalität der Waldbäume in der Schweiz könnte sich weiter verstärken, wenn Extremereignisse zunehmen, wie es von Klimamodellen vorhergesagt wird.

The loss of leaves and needles in tree crowns and tree mortality are increasing worldwide, mostly as a result of more frequent and severe drought stress. Scots pine (Pinus sylvestris L.) is a tree species that is strongly affected by these developments in many regions of Europe and Asia. So far, changes in metabolic pathways and metabolite profiles in needles and roots on the trajectory towards mortality are unknown, although they could contribute to a better understanding of the mortality mechanisms. Therefore, we linked long-term observations of canopy defoliation and tree mortality with the characterization of the primary metabolite profile in needles and fine roots of Scots pines from a forest site in the Swiss Rhone valley. Our results show that Scots pines are able to maintain metabolic homeostasis in needles over a wide range of canopy defoliation levels. However, there is a metabolic tipping point at around 80-85% needle loss. Above this threshold, many stress-related metabolites (particularly osmoprotectants, defense compounds and antioxidants) increase in the needles, whereas they decrease in the fine roots. If this defoliation tipping point is exceeded, the trees are very likely to die within a few years. The different patterns between needles and roots indicate that mainly belowground carbon starvation impairs key functions for tree survival and suggests that this is an important factor explaining the increasing mortality of Scots pines.

The vitality of Scots pine (Pinus sylvestris L.) is declining since the 1990s in many European regions. This was mostly attributed to the occurrence of hotter droughts, other climatic changes and secondary biotic stressors. However, it is still not well understood which specific atmospheric trends and extremes caused the observed spatio-temporal dieback patterns. In the Swiss Rhône valley, we identified negative precipitation anomalies between midsummer and early autumn as the main driver of sudden vitality decline and dieback events. Whereas climate change from 1981 to 2018 did not lead to a reduced water input within this time of the year, the potential evapotranspiration strongly increased in spring and summer. This prolonged and intensified the period of low soil moisture between midsummer and autumn, making Scots pines critically dependent on substantial precipitation events which temporarily reduce the increased water stress. Thus, local climate characteristics (namely midsummer to early autumn precipitation minima) are decisive for the spatial occurrence of vitality decline events, as the lowest minima outline the most affected regions within the Swiss Rhône valley. Mortality events will most likely spread to larger areas and accelerate the decline of Scots pines at lower elevations, whereas higher altitudes may remain suitable Scots pine habitats. The results from our regional study are relevant on larger geographic scales because the same processes seem to play a key role in other European regions increasingly affected by Scots pine dieback events.