Klimaeinflüsse auf die Phänologie von Baum- und Straucharten

In diesem Projekt werden phänologische Beobachtungen von verschiedenen Baum- und Straucharten in der Schweiz untersucht, welche von der MeteoSchweiz seit 1951 erfasst wurden. Die ca. 200’000 Beobachtungen decken unterschiedliche Phänophasen ab wie Blattentfaltung/Nadelaustrieb, Blüte, Fruchtreife, Blatt-/Nadelverfärbung und Blatt-/Nadelfall.

Im ersten Teil des Projektes haben wir untersucht, ob sich das Frostrisiko während der Blattentfaltung bzw. während des Nadelaustriebs bei 13 Baum- und Straucharten von 1951 bis 2014 verändert hat (Abb. 1). Dabei wurden fast 48'000 Beobachtungen an 264 Stationen aus dem phänologischen Netzwerk der MeteoSchweiz untersucht. Um abzuschätzen, ob sich die Trends für die Blattentfaltung und das Frostrisiko ändern, wurden «state-space models» benutzt (Abb. 2). Bei allen untersuchten Arten tritt die Blattentfaltung zu einem zunehmend früheren Zeitpunkt auf, insbesondere oberhalb von 800 m ü.M. und seit den 1980er Jahren, was auf die wärmeren Frühlingstemperaturen zurückzuführen ist. Aktuell haben Bäume und Sträucher eine relativ grosse Sicherheitsmarge zwischen dem letzten kritischen Frost und dem Zeitpunkt der Blattentfaltung. Allerdings steigt das Frostrisiko bei früh austreibenden Arten (z.B. Lärche, Rosskastanie, Hasel, Hängebirke, Vogelbeere) sowie mit zunehmender Meereshöhe. Während den eher kühleren 1950er und 1960er Jahren hat sich das Frostrisiko tendenziell reduziert, während es aufgrund der Klimaerwärmung seit den 2000er Jahren vermehrt ansteigt.

Die Studie wurde publiziert als externe Seite Bigler und Bugmann (2018).

Vergrösserte Ansicht: Frostschaden
Abbildung 1. Frostschaden an jungen Fichtennadeln nach einem starken Frost im April 2017 (Foto: C. Bigler)
Vergrösserte Ansicht: Trendanalyse
Abbildung 2. Trendanalyse von Blattaustriebsdaten basierend auf einem dynamischen linearen Modell (DLM) und einem linearen Modell (LM). Daten für Buche an der Station La Valsainte. (a) Beobachtete Daten der Blattentfaltung, geglättete Levels basierend auf DLM, und Regressionsgerade basierend auf LM, (b) geglättete Steigungen basierend auf DLM und Steigung basierend auf LM. Das DLM zeigt eine positive Steigung im Jahr 1960 (0.53 Tage/Jahr) und eine negative Steigung im Jahr 2010 (-0.46 Tage/Jahr), während das LM auf eine konstant negative Steigung hindeutet (-0.20 Tage/Jahre).

Im zweiten Teil des Projektes haben wir untersucht, wie sich tägliche Wettereinflüsse auf die Blattentfaltung bzw. auf den Nadelaustrieb von fünf Laub- und Nadelbaumarten (Lärche, Rosskastanie, Hasel, Buche und Fichte) auswirken. Da sich tägliche Wettereinflüsse wie z.B. die Maximaltemperatur über mehrere Wochen und Monate auswirken können, wird der Zusammenhang zwischen Wettereinflüssen und Blattentfaltung/Nadelaustrieb über «distributed lag models» quantifiziert (Abb. 3).

Die Studie wurde publiziert als externe Seite Bigler und Vitasse (2019).

Vergrösserte Ansicht: Distributed lag model
Abbildung 3. Visualisierung eines "distributed lag models". Die Abbildung zeigt das Chancenverhältnis ("odds ratio") für die Blattentfaltung der Buche an der phänologischen Station Liestal (350 m ü.M.) in der Schweiz in Abhängigkeit von der maximalen Tagestemperatur und dem "lag" (Anzahl Tage vor der Blattentfaltung).

Im dritten Teil des Projektes untersuchen wir, unter welchen klimatischen Bedingungen die Blattverfärbung von Bäumen aussergewöhnlich früh erfolgt. Wir analysieren dabei 16385 Beobachtungen der Blattverfärbung von Buche, Hängebirke, Rosskastanie, Lärche, Sommerlinde, Vogelbeere, Winterlinde, Edelkastanie und Bergahorn an 222 phänologischen Stationen in der Schweiz. In Jahren mit aussergewöhnlich früher Blattverfärbung war die Tagesgradsumme im May und Juni signifikant höher und die klimatische Wasserbilanz im Juni signifikant tiefer als in den anderen Jahren, insbesondere bei trockenheitsempfindlichen Arten wie der Buche (Abb. 4). Auch sehr tiefe Minimaltemperaturen im September führten zu aussergewöhnlich früher Blattverfärbung.

Ein Manuskript ist im Review: Bigler C. und Vitasse Y. 2021. Premature leaf discoloration of European deciduous trees is caused by drought and heat in late spring and cold spells in early fall.

Vergrösserte Ansicht: LMM
Abbildung 4. Effekte der monatlichen klimatischen Wasserbilanz und Tagesgradsumme basierend auf linearen gemischten Modellen (rote Punkte: P ≤ 0.05; rot-umrandete weisse Punkte: P ≤ 0.01; schwarze Punkte: P > 0.1; 95% Konfidenzintervalle wurden als horizontale Linien eingezeichnet). Beispiel: Ein negativer Effekt für die Wasserbilanz im Juni bei der Buche deutet darauf hin, dass in Jahren mit aussergewöhnlicher früher Blattverfärbung die Wasserbilanz tiefer war als in anderen Jahren.

Funding

ETH Zürich

Projektstatus

Das Projekt läuft seit Februar 2015.

Kontakt

Für weitere Informationen kontaktieren Sie bitte Christof Bigler.

Vergrösserte Ansicht: Prunus spinosa
Blüte von Prunus spinosa (Foto: C. Bigler)
Vergrösserte Ansicht: Picea abies
Nadelaustrieb von Picea abies (Foto: C. Bigler)
Vergrösserte Ansicht: Sorbus aucuparia
Beerenreife von Sorbus aucuparia (Foto: C. Bigler)
Vergrösserte Ansicht: Fagus sylvatica
Laubverfärbung von Fagus sylvatica (Foto: C. Bigler)