The role of drought in Alpine pine dieback Rigling A (1), Bigler C (2), Buergi M (1), Dobbertin M (1), Egli S (1), Gimmi U (2), Giordano L (3), Gonthier P (3), Mazzoglio P (3), Motta R (4), Nicolotti G (3), Polomski J (1), Rigling D (1), Vacchiano G (4), Weber P (1), Wermelinger B (1), Wohlgemuth T (1), Zweifel R (1) Swiss Federal Research Institute WSL, Birmensdorf (Switzerland) Swiss Federal Institute of Technology ETH, Zürich, (Switzerland) Dept. DiVaPra, University of Turin, Grugliasco (Italy) Dept. AgroSelviTer, University of Turin, Grugliasco (Italy) * **

Swiss Federal Research Institute WSL, Birmensdorf (Switzerland)

Swiss Federal Institute of Technology ETH, Zürich, (Switzerland)

Dept. DiVaPra, University of Turin, Grugliasco (Italy)

Dept. AgroSelviTer, University of Turin, Grugliasco (Italy)

Two contrasting tree species meet in the Valais (nach Meusel et al. 1965) Scots pine - sub-boreal Valais Sierra Nevada Alps Pubescent oak - sub-mediterranean

The functions of the pine forests Biotope Scenic beauty Protection

Scots pine decline since mid 20 th century - pronounced since 1990 ties LWF-Monitoring plot Visp 2004

Scots pine dies but pubescent oak spreads Region of Visp 2004

Pine decline in inner-Alpine regions (Hydrologischer Atlas der Schweiz 2001, Bundesamt für Landestopographie) Valais Aosta Susa Chur Innsbruck Vinschgau Vienna Basin Styria Valais Aosta Susa Chur Innsbruck Vinschgau Vienna Basin Styria Annual precipitation (Hydrologischer Atlas der Schweiz 2001, Bundesamt für Landestopographie) Zürich 1123 mm Gr St Bernard 2026 mm Aigle 802 mm Visp 553 mm Sevilla 807 mm

Where did the pines die? Time window: 1983/85 until 2002/03 139 dead pines (13.5%) (Rigling et al. 2006: FORUM f. WISSEN) Regression analysis: Significant increase of mortality with increasing drought (calculated drought index per plot) 201 plots: 0 5 10 15 20 25 <600 600-800 800-1000 1000-1200 1200-1400 >1400 Mortality rate [%] mortality CH Alt. a.s.l. Central Valais ( 15% Mortality versus 8%) lower altitudes (below 900 resp. 1200 m a.s.l.) ( 29% versus 11-15%) Pronounced in South-, West- and East-aspect ( 32% versus 17%) Classification tree analysis:

Central Valais ( 15% Mortality versus 8%)

lower altitudes (below 900 resp. 1200 m a.s.l.) ( 29% versus 11-15%)

Pronounced in South-, West- and East-aspect ( 32% versus 17%)

Summer drought and pine mortality LWF-Monitoring plot Visp: 1995-2005: 60% of the pines but only 15% of the broadleaves died -400 -350 -300 -250 -200 -150 -100 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 Drought index (mm) 0 5 10 15 20 25 30 Pine mortality (%) Pine mortality increased in the year following hot - dry summers Multiple drought years enhance mortality (Bigler et al. 2006: Ecosystems; Rigling et al. 2006: FORUM F. WISSEN)

Pine mortality increased in the year following hot - dry summers

Multiple drought years enhance mortality

Drought and pests, example Insects Hot / dry summers stimulate development and attack of insects (Wermelinger et al. 2008: Ecol. Entomol.) 2000 2001 2002 2003 2004 0 5 10 15 20 25 30 120 100 80 60 40 20 0 -20 -40 Beetle density (n/m2) Year of attack 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 Drought- index (mm) Temp.- sum ( ｡ C )

Hot / dry summers stimulate development and attack of insects

Change in crown transparency 2003 - 07 Control: + 9.8 % vs. irrigated: - 6.1 % Change in mortality 2003 - 07 Control: 18 pines (6.1%) vs. irrigated: 7 pines (2.5% ) Irrigation had a positive effect on foliage mass and reduced tree mortality Irrigation experiment in a dry pine forest (Data: Dobbertin & Rigling) 8 plots (each 40x25 m) in 4 blocks each 1x watered and control (60-100 trees) Irrigation Apr-Oct, during the night June 2003 - October 2009 C C C C Water canal W W W W

Irrigation had a positive effect on foliage mass and reduced tree mortality

8 plots (each 40x25 m) in 4 blocks each 1x watered and control (60-100 trees)

Irrigation Apr-Oct, during the night

June 2003 - October 2009

Pines of alle productivity classes increase their growth rates due to irrigation indicating water as limiting factor. Which pines can profit from additional water ? (Eilmann et al.: in prep.) high productive middle productive low productive high middle low growth change irrigated vs. control [%]

Pines of alle productivity classes increase their growth rates due to irrigation indicating water as limiting factor.

Climate sensitivity of radial growth Radial growth is highly correlated with the drought index Irrigation reduces the climate sensitivity as indication of the drought stress Correlation radial growth - Palmers Drought Severity Index PDSI (van Schrier et al. 2007) Comparison of irrigated and control pines (Rigling et al. 2002: Plant Ecol.; Rigling et al. 2003: For.Ecol.Man.; Weber et al. 2007: J. Veg. Sc.; Eilmann et al.: in prep) -0.100 0.000 0.100 0.200 0.300 0.400 0.500 jun-1 jul-1 aug-1 sep-1 oct-1 nov-1 dec-1 jan feb mar apr may jun jul aug sep pine irrigated Control

Radial growth is highly correlated with the drought index

Irrigation reduces the climate sensitivity as indication of the drought stress

Factors of pine decline Vitality time (Manion 1981, adapted) inciting predisposing contributing factors Stand competition Mistletoe infection General drought Insects shoot feeding e.g. Tomicus spec. Tree ageing Insects larval feeding e.g. various pine insects Pathogens e.g. needle and shoot deseases Nematodes Mistletoe infection Drought periods e.g. 1976, 1990, 1996, 1998, 2003 Insects larval feeding e.g. Phaenops cyanea Ips acuminatus Pathogens e.g. blue stain

Thank you for your attention & for the invitation to present our results Canton Wallis, Region of Piedmont, Region of Valle d‘A osta Forest services of the three regions Swiss Federal Office for the Environment FOEN Velux Foundation Rhonewerke AG / HYDRO Exploitation SA INTERREG IIIA Supported by: Swiss Federal Research Institute WSL, Birmensdorf (Switzerland) Swiss Federal Institute of Technology ETH, Zürich, (Switzerland) Dept. DiVaPra, University of Turin, Grugliasco (Italy) Dept. AgroSelviTer, University of Turin, Grugliasco (Italy)

Canton Wallis, Region of Piedmont, Region of Valle d‘A osta

Forest services of the three regions

Swiss Federal Office for the Environment FOEN

Velux Foundation

Rhonewerke AG / HYDRO Exploitation SA

INTERREG IIIA

Was bringt die Zukunft? Die Winter werden wärmer und feuchter, die Sommer werden heisser und trockener Der Hitzesommer 2003 wird zum Durchschnitt ???? (OcCC 2007) Verteilung der Sommertemperaturen 1864 - 2003 + 1.4°C + 2.7°C + 4.7°C Verteilung der Sommertemperaturen im Jahre 2050 unter Anwendung von drei T-Szenarien 2003 15 16 17 18 19 20 21 22 23 Temperatur JJA [°C]

Die Winter werden wärmer und feuchter, die Sommer werden heisser und trockener

Der Hitzesommer 2003 wird zum Durchschnitt ????

Future climate szenarios Winters will become warmer and more moist Summers will become hotter and drier South of the Alps South of the Alps T-change (°C) P-change (°C) (OcCC 2007) 2003 + 1.4°C + 2.7°C + 4.7°C Hot spell 2003 will become average

Winters will become warmer and more moist

Summers will become hotter and drier

Hot spell 2003 will become average

Moderates Szenario (leichte Zunahme von Wärme & Trockenheit) : Wie entwickeln sich die Wälder im Wallis? In Tieflagen: Vegetationsgürtel verschieben sich nach oben ... Insekten und Pathogene werden grossflächig „zuschlagen“. Wie schnell stellen sich Gleichgewichtszustände wieder ein? Extremes Szenario (Sommer 2003 wird zum Durchschnitt) : In Tieflagen: CHAOS? Neue Gleichgewichtszustände (Baumartenmischung, Baum-Schädling-Beziehungen)? Wie schnell stellen sich diese ein (Resistenz und Resilienz)? Engpässe in der Waldentwicklung (z.B. Verjüngung)? In Hochlagen: In Hochlagen: Steppe? Alternative Baumarten? Eiche Föhre (Umbau waldbaulich beschleunigen)

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Kanton Wallis, Region Piemont, Region Valle d‘A osta Forstdienst der drei Regionen Gemeinden und Forstbetriebe von Brig, Lens, Leuk-Susten, Vollèges/Sembrancher, Salgesch, Stalden, Visp Bundesamt für Umwelt BAFU Velux Stiftung Rhonewerke AG / HYDRO Exploitation SA / INTERREG IIIA Diplomierende und Feldteams Partnerorganisationen: ETHZ, UNI Bern, UNI Turin, UNI Wageningen, UNI Granada, BFW Wien, FI Bozen, LVL Brandenburg Vielen Dank auch an:

Kanton Wallis, Region Piemont, Region Valle d‘A osta

Forstdienst der drei Regionen

Gemeinden und Forstbetriebe von Brig, Lens, Leuk-Susten, Vollèges/Sembrancher, Salgesch, Stalden, Visp

Bundesamt für Umwelt BAFU

Velux Stiftung

Rhonewerke AG / HYDRO Exploitation SA /

INTERREG IIIA

Diplomierende und Feldteams

Partnerorganisationen: ETHZ, UNI Bern, UNI Turin, UNI Wageningen, UNI Granada, BFW Wien, FI Bozen, LVL Brandenburg

Skala Zelle: Trockenheit & Zellwachstum, Bisse Lens Waldföhre: feuchte Jahre: guter Holzzuwachs Trockenjahre: Holzzuwachs und Wasserleitfähigkeit reduziert extreme Trockenjahre: Kein Jahrring wird gebildet !, Wasserleitfähigkeit stark beeinträchtigt Flaumeiche: feuchte Jahre: guter Holzzuwachs Trockenjahre: Holzzuwachs und Wasserleitfähigkeit reduziert extreme Trockenjahre: Jahrring auf Frühholzgefässe reduziert aber nie fehlend!, Wasserleitfähigkeit stark beeinträchtigt Unter gegenwärtigen Bedingungen ist die Eiche der Föhre überlegen In extremen Trockenjahren stösst auch die Eiche an ihre Grenzen (Eilmann et al.: in prep.) Die Flaumeiche verfügt über ein effizienteres Wasserleitungssystem (Gefässe) als die Föhre

Waldföhre:

feuchte Jahre: guter Holzzuwachs

Trockenjahre: Holzzuwachs und Wasserleitfähigkeit reduziert

extreme Trockenjahre: Kein Jahrring wird gebildet !, Wasserleitfähigkeit stark beeinträchtigt

Flaumeiche:

feuchte Jahre: guter Holzzuwachs

Trockenjahre: Holzzuwachs und Wasserleitfähigkeit reduziert

extreme Trockenjahre: Jahrring auf Frühholzgefässe reduziert aber nie fehlend!, Wasserleitfähigkeit stark beeinträchtigt

Unter gegenwärtigen Bedingungen ist die Eiche der Föhre überlegen

In extremen Trockenjahren stösst auch die Eiche an ihre Grenzen

Die Flaumeiche verfügt über ein effizienteres Wasserleitungssystem (Gefässe) als die Föhre

Einfluss von Trockenheit auf das Baumwachstum der Föhre Wie rasch können sich Föhren von Trockenheit erholen? Projektdauer Juni 2003 bis Oktober 2009 Gesamtfläche aufgeteilt in 8 Teilflächen (je 40x25 m) Bewässerung während Vegetationsperiode (April – Okt.) Bewässerung entspricht ~250 mm/year Skala Einzelbaum: Bewässerungsexperiment (Leitung: Landolt, Dobbertin, Bleuler, Rigling)

Einfluss von Trockenheit auf das Baumwachstum der Föhre

Wie rasch können sich Föhren von Trockenheit erholen?

Projektdauer Juni 2003 bis Oktober 2009

Gesamtfläche aufgeteilt in 8 Teilflächen (je 40x25 m)

Bewässerung während Vegetationsperiode (April – Okt.)

Bewässerung entspricht ~250 mm/year

Scots pine

Skala Einzelbaum: Baumphysiologie im Sommer 2003 (Zweifel et al.: submitted) Im Hitzesommer 2003 kam auch die Eiche an ihre Grenzen: an extremen Hitztagen blieben die Stomata mehrheitlich geschlossen, Blattabwurf begann schon im Juli-August, das Durchmesserwachstum war drastisch reduziert und erhöhte Mortalität trat ein. . trockener Tag im Juli 2003 extrem heisser & tockener Tag im August 2003 Tagesverlauf der Stomataöffnung Vertrocknen der Blätter - Blattabwurf

Im Hitzesommer 2003 kam auch die Eiche an ihre Grenzen: an extremen Hitztagen blieben die Stomata mehrheitlich geschlossen, Blattabwurf begann schon im Juli-August, das Durchmesserwachstum war drastisch reduziert und erhöhte Mortalität trat ein. .

Trockenheit verkürzt die Wachstumsperiode (v.a. der nicht-vitalen Föhren) Skala Einzelbaum: Bewässerung und Wachstumsdauer (Eilmann et al.: in prep.) Wachstumsbeginn der nicht-vitalen Bäume verspätet Trockenheit führt zu einem früheren Wachstumsende

Trockenheit verkürzt die Wachstumsperiode (v.a. der nicht-vitalen Föhren)

Wachstumsbeginn der nicht-vitalen Bäume verspätet

Trockenheit führt zu einem früheren Wachstumsende