Dr. Peter Waldner

• Le acque sotterranee provenienti dalle aree forestali sono solitamente di qualità tale da poter essere immesse nella rete dell'acqua potabile senza ulteriori trattamenti.
• Il dilavamento dei nitrati dal suolo forestale nell'ultimo decennio non ha subito variazioni. Tuttavia, localmente può essere elevato e indicare un eccessivo carico di azoto.
• Per abbattere le concentrazioni di nitrato nell'acqua di falda e quindi in quella potabile, occorre ridurre gli apporti di azoto atmosferico. Le misure selvicolturali che rafforzano la resilienza dei boschi possono anche ridurre il rischio di dilavamento dei nitrati in seguito a perturbazioni.

• The groundwater from forest areas is usually of such good quality that it can be fed into the drinking water network without further treatment.
• Levels of nitrate leaching from forest soils have hardly changed in the past decade. However, they can be high in some localities, indicating an excessive nitrogen load.
• In order to lower nitrate concentrations in seepage water and thus in drinking water from forest areas, nitrogen deposition from the air must be reduced. Silvicultural measures that strengthen forests’ resilience can also reduce the risk of nitrate leaching after disturbance events.

• Les eaux souterraines des zones forestières sont en général de si bonne qualité qu'elles peuvent être injectées sans traitement dans le réseau d'eau potable.
• Le lessivage des nitrates des sols forestiers n'a guère évolué durant la dernière décennie. Il peut être localement élevé, signalant une charge excessive d'azote.
• Pour abaisser la concentration de nitrates dans les eaux d'infiltration et donc dans l'eau potable de zones forestières, les dépôts atmosphériques azotés doivent être réduits. Des mesures sylvicoles renforçant la résilience de la forêt permettent de limiter le risque de lessivage de nitrates après des perturbations.

• Das Grundwasser aus Waldgebieten ist meist von so guter Qualität, dass es ohne weitere Aufbereitung ins Trinkwassernetz eingespeist werden kann.
• Die Nitratauswaschung aus den Waldböden hat sich in der letzten Dekade kaum verändert. Sie kann jedoch lokal hoch sein und weist auf eine übermässige Stickstoffbelastung hin.
• Um die Nitratkonzentrationen im Sickerwasser und damit im Trinkwasser aus Waldgebieten zu senken, ist die Reduktion der Stickstoffeinträge aus der Luft erforderlich. Mit waldbaulichen Massnahmen, die die Resilienz der Wälder stärken, lässt sich zudem das Risiko der Nitratauswaschung nach Störungsereignissen verringern.

Stable oxygen (δ¹⁸O) and hydrogen (δ²H) isotope compositions of tree-ring compounds preserve information about environmental waters; however, our understanding of their isotopic relationships is hampered by the lack of long-term data sets. We investigated correlations using unique 17-year (2006–2022) δ¹⁸O and δ²H time series of bi-weekly measured soil solution, modelled precipitation and xylem water, along with those of tree-ring α-cellulose and lignin methoxy groups from Norway spruce (Picea abies) across three Swiss forest sites. We show that tree-ring cellulose δ¹⁸O preserves water source information more effectively than δ²H, making it better suited for ecohydrological reconstructions. We propose δ²H of tree-ring lignin methoxy groups as an alternative proxy for soil water sources, supported by strong correlations where cellulose failed to track soil water isotopes. Significant linear isotopic relationships within and across sites enable the development of transfer functions that link tree-ring to water sources, particularly precipitation and xylem water. We exemplify how these transfer functions can be used to estimate the seasonal origin of water sourced by trees during the growth period. Our findings enhance the interpretation of environmental water isotope signals in tree rings and promote the use of tree-ring isotope-based tools for retrospective retrieval of forest water dynamics.

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.

• Nitrogen deposition exceeds critical loads in almost 90% of forest areas. Increased nitrogen deposition leads to nutrient imbalances in the soil and vegetation and can affect the biodiversity of plants, lichens and soil organisms.
• Ground-level ozone damages the photosynthetic cells in leaves. The ozone dose taken up through the stomata has decreased in beech trees, but it remains above the critical threshold.
• Although nitrogen and ozone pollution has been reduced, it still exceeds the relevant limits in many places and can inhibit forest’s growth and drought resistance.

• In quasi il 90 per cento della superficie forestale gli apporti di azoto sono superiori ai valori limite di contaminazione. Questo fenomeno comporta squilibri nutritivi nel suolo e nella vegetazione e può influire sulla biodiversità di piante, licheni e organismi del suolo.
• L'ozono troposferico danneggia le cellule fotosintetiche delle foglie. Nei faggi la dose di ozono assorbita
attraverso le aperture degli stomi è diminuita, ma rimane superiore al livello critico.
• Sebbene sia stato possibile contenerle, le emissioni di azoto e ozono spesso superano ancora i valori
limite di contaminazione e possono inibire la crescita dei boschi e la loro resistenza alla siccità.

• Die Stickstoffeinträge liegen für knapp 90 % der Waldfläche über den kritischen Belastungsgrenzen. Erhöhter Stickstoffeintrag führt zu Nährstoffungleichgewichten in Boden und Vegetation und kann die Biodiversität von Pflanzen, Flechten und Bodenorganismen beeinträchtigen.
• Bodennahes Ozon schädigt die fotosynthetischen Zellen der Blätter. Die durch die Spaltöffnungen aufgenommene Ozondosis hat bei den Buchen abgenommen,
verharrt aber über dem kritischen Grenzwert.
• Obwohl die Immissionen von Stickstoff und Ozon reduziert werden konnten, überschreiten sie vielerorts immer noch die Belastungsgrenzen und können
das Wachstum des Waldes und seine Resistenz gegen Trockenheit hemmen.

• Les dépôts azotés dépassent les charges critiques sur près de 90% de la surface forestière. Un apport excessif d'azote provoque des déséquilibres nutritifs
dans le sol et la végétation et peut nuire à la biodiversité des plantes, des lichens et des organismes du sol.
• L'ozone troposphérique endommage les cellules photosynthétiques des feuilles. La dose d'ozone absorbée par les stomates a diminué chez le hêtre, mais reste supérieure à la valeur limite.
• Les immissions d'azote et d'ozone ont pu être réduites. Cependant, elles dépassent encore en bien des endroits les charges critiques, et peuvent affecter la croissance de la forêt et sa résistance à la sécheresse.

• 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.

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.

Wälder haben eine essenzielle Bedeutung für die Biodiversität, die Klimaregulation und weitere Ökosystemleistungen. Das Programm «Langfristige Waldökosystem-Forschung» der Eidgenössischen Forschungsanstalt WSL hat im Verlauf der vergangenen drei Jahrzehnte wertvolle Erkenntnisse über die komplexen Wechselwirkungen zwischen biotischen, abiotischen und anthropogenen Faktoren gewonnen. Luftverschmutzung und Klimawandel stellen eine erhebliche Belastung für die Wälder dar, was zu Bodenversauerung, Nährstoffungleichgewichten und erhöhter Baumsterblichkeit führt. Technologische Innovationen wie Fernerkundung, Echtzeitüberwachung und Machine Learning machen detaillierte Analysen möglich, die ein verbessertes Verständnis der Waldökosystemprozesse unter verschiedenen Klimaszenarien zulassen. Die Ergebnisse aus drei Jahrzehnten «Langfristige Waldökosystem-Forschung» lieferten wertvolle Leitlinien für Entscheidungsträgerinnen und Waldbesitzer. Angesichts der steigenden Umweltbelastungen ist die Erhaltung resilienter Wälder entscheidend, um ihre Schutz- und Regulierungsfunktionen langfristig zu sichern.

30 years of Long-Term Forest Ecosystem Research: synthesis and outlook
Forests are of vital importance for biodiversity, climate regulation and other ecosystem services. The Long-Term Forest Ecosystem Research (LWF) conducted by the Swiss Federal Institute for Forest, Snow and Landscape Research (WSL) over the past three decades has provided valuable insights into the complex interactions between biotic, abiotic and anthropogenic factors. Air pollution and climate change are a significant burden on forests, leading to soil acidification, nutrient imbalances and increased tree mortality. Technological innovations such as remote sensing, real-time monitoring and machine learning allow for detailed analyses that provide an improved understanding of forest ecosystem processes under different climate scenarios. The results from three decades of LWF research provided valuable guidelines for decision-makers and forest owners. In the face of increasing environmental pressures, maintaining resilient forests is crucial to ensure their protective and regulatory functions in the long term.

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.

Forest soils harbor hyper-diverse microbial communities which fundamentally regulate carbon and nutrient cycling across the globe. Directly testing hypotheses on how microbiome diversity is linked to forest carbon storage has been difficult, due to a lack of paired data on microbiome diversity and in situ observations of forest carbon accumulation and storage. Here, we investigated the relationship between soil microbiomes and forest carbon across 238 forest inventory plots spanning 15 European countries. We show that the composition and diversity of fungal, but not bacterial, species is tightly coupled to both forest biotic conditions and a seven-fold variation in tree growth rates and biomass carbon stocks when controlling for the effects of dominant tree type, climate, and other environmental factors. This linkage is particularly strong for symbiotic endophytic and ectomycorrhizal fungi known to directly facilitate tree growth. Since tree growth rates in this system are closely and positively correlated with belowground soil carbon stocks, we conclude that fungal composition is a strong predictor of overall forest carbon storage across the European continent.

Forests are under pressure and going through rapid changes. However, current inventorying and monitoring (IM) programs are often either disjointed, too narrow in their scope and/or do not operate at fine enough temporal resolutions, which may hinder scientific understanding, the timely supply of information, fast decision making, and may result in the sub-optimal use of resources. For these reasons, there is an urgent need for Advanced Forest Inventorying and Monitoring (AIM) programs to (i) achieve expanded relevance (by augmenting data/information across ecosystem properties and trophic levels), (ii) have increased temporal resolution (by tailored data collection frequency), and (iii) make use of technological advances (by incorporating novel tools and technologies). The Advanced Inventorying and Monitoring for Swiss Forests (SwissAIM) initiative was launched in 2020 to address these needs. SwissAIM builds upon the foundation offered by the existing programs (e.g., national forest inventory, long-term forest ecosystem research, biodiversity monitoring). It aims to offer a collaborative and adaptive framework to enable integrated data collection, evaluation, interpretation, analysis, and modeling. Ideally, it will result in a more responsive system with respect to current and predicted biotic/abiotic stressors that will challenge Swiss forests. Developing such a system implies identifying the information needs of different stakeholders (e.g., science, policy, practice), related technical requirements, and governance frameworks. Here, we present (i) the main features of the SwissAIM initiative (vision, scientific questions and variables, governance and engagement), (ii) the main outcomes of the participatory design process (measurements, sampling, and plot design), (iii) the potential transferability of AIM initiatives outside Switzerland (timing, relevance, practicability), and (iv) the key messages that emerged (i.e., need for advancement, integration and transdisciplinarity, statistical underpinning). Since similar needs related to forest inventorying and monitoring are emerging throughout Europe and elsewhere, the objective of this opinion paper is to share our experience and promote a dialog with those interested in developing AIM initiatives in other countries and regions.