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Abstract European forests are an important source for timber production, human welfare, income, protection and biodiversity. During the last two decades, Europe has experienced a number of droughts which have been exceptional within the last 500 years, both in terms of duration and intensity. These droughts seem to leave remarkable imprints on the mortality dynamics of European forests. However, systematic observations on tree decline, with emphasis on a single species, has been scarce so far so that our understanding of mortality dynamics and drought occurrence is still limited at a continental scale. Here, we make use of the ICP Forest crown defoliation dataset, permitting us to retrospectively monitor tree mortality for all major conifers, major broadleaves, as well as a pooled dataset of minor tree species in Europe. In total, we analysed more than three million observations gathered during the last 25 years and employed a high‐resolution drought index which can assess soil moisture anomaly based on a hydrological water‐balance and runoff model. We found overall and species‐specific increasing trends in mortality rates, accompanied by decreasing soil moisture. A generalized linear mixed model identified a previous‐year soil moisture anomaly as the most important driver of mortality patterns in conifers, but the response was not uniform across the numerous analysed plots. We conclude that mortality patterns in European forests are currently reaching a concerning upward trend which could be further accelerated by global change‐type droughts in the near future.

Abstract. Process-based vegetation models are widely used to predict local and global ecosystem dynamics and climate change impacts. Due to their complexity, they require careful parameterization and evaluation to ensure that projections are accurate and reliable. The PROFOUND Database (PROFOUND DB) provides a wide range of empirical data on European forests to calibrate and evaluate vegetation models that simulate climate impacts at the forest stand scale. A particular advantage of this database is its wide coverage of multiple data sources at different hierarchical and temporal scales, together with environmental driving data as well as the latest climate scenarios. Specifically, the PROFOUND DB provides general site descriptions, soil, climate, CO2, nitrogen deposition, tree and forest stand level, and remote sensing data for nine contrasting forest stands distributed across Europe. Moreover, for a subset of five sites, time series of carbon fluxes, atmospheric heat conduction and soil water are also available. The climate and nitrogen deposition data contain several datasets for the historic period and a wide range of future climate change scenarios following the Representative Concentration Pathways (RCP2.6, RCP4.5, RCP6.0, RCP8.5). We also provide pre-industrial climate simulations that allow for model runs aimed at disentangling the contribution of climate change to observed forest productivity changes. The PROFOUND DB is available freely as a “SQLite” relational database or “ASCII” flat file version (at https://doi.org/10.5880/PIK.2020.006/; Reyer et al., 2020). The data policies of the individual contributing datasets are provided in the metadata of each data file. The PROFOUND DB can also be accessed via the ProfoundData R package (https://CRAN.R-project.org/package=ProfoundData; Silveyra Gonzalez et al., 2020), which provides basic functions to explore, plot and extract the data for model set-up, calibration and evaluation.

AbstractThe acquisition of phenological events play an integral part in investigating the effects of climate change on forest dynamics and assessing the potential risk involved with the early onset of young leaves. Large scale mapping of forest phenological timing using earth observation data, could facilitate a better understanding of phenological processes due to an added spatial component. The translation of traditional phenological ground observation data into reliable ground truthing for the purpose of the training and validation of Earth Observation (EO) mapping applications is a challenge. In this study, we explored the possibility of predicting high resolution phenological phase data for European beech (Fagus sylvatica) with the use of Unmanned Aerial Vehicle (UAV)-based multispectral indices and machine learning. Using a comprehensive feature selection process, we were able to identify the most effective sensors, vegetations indices, training data partitions, and machine learning models for phenological phase prediction. The best performing model that generalised well over various sites was the model utilising the Green Chromatic Coordinate (GCC) and Generalized Addictive Model (GAM) boosting. The GCC training data was derived from the radiometrically calibrated visual bands from a multispectral sensor and predicted using uncalibrated RGB sensor data. The final GCC/GAM boosting model was capable in predicting phenological phases on unseen datasets within a RMSE threshold of 0.5. This research shows the potential of the interoperability among common UAV-mounted sensors in particular the utility of readily available low cost RGB sensors. Considerable limitations were however discovered with indices implementing the near-infrared (NIR) band due to oversaturation. Future work involves adapting models to facilitate the ICP Forests phenological flushing stages.

Des études récentes ont identifié de fortes relations entre le rétablissement retardé de la croissance des arbres après la sécheresse et la mortalité des arbres causée par les sécheresses ultérieures. Ces observations soulèvent des inquiétudes quant aux services écosystémiques forestiers et à la reprise de la croissance après la sécheresse, compte tenu de l'augmentation prévue de la fréquence et des extrêmes de sécheresse. Pour quantifier l'impact des sécheresses extrêmes sur la croissance radiale des arbres, nous avons utilisé un réseau de données sur la largeur des cernes de 1689 arbres provenant de 100 sites représentant la majeure partie de la distribution de deux espèces de chênes à feuilles caduques tolérantes à la sécheresse (Quercus petraea et Quercus robur). Nous avons d'abord examiné quels facteurs climatiques et quelles saisons contrôlent la croissance des deux espèces et s'il existe une tendance latitudinale, longitudinale ou altimétrique. Nous avons ensuite quantifié l'écart relatif par rapport à la croissance d'avant la sécheresse pendant les sécheresses et la rapidité avec laquelle les arbres ont pu récupérer le niveau de croissance d'avant la sécheresse. Nos résultats ont montré que la croissance était plus liée aux précipitations et au bilan hydrique climatique (précipitations moins évapotranspiration potentielle) qu'à la température. Cependant, nous n'avons pas détecté de tendances latitudinales, longitudinales ou altimétriques claires, sauf une influence décroissante du bilan hydrique estival sur la croissance de Q. petraea avec latitude. Aucune des deux espèces n'a été en mesure de maintenir le niveau de croissance d'avant la sécheresse pendant les sécheresses. Cependant, les deux espèces ont montré un rétablissement rapide ou même une compensation de la croissance après les sécheresses estivales, mais ont montré un lent rétablissement en réponse aux sécheresses printanières où aucune des deux espèces n'a été en mesure de récupérer complètement le niveau de croissance d'avant la sécheresse au cours des trois années suivant la sécheresse. Collectivement, nos résultats indiquent que les chênes considérés comme résistants aux sécheresses extrêmes ont également montré une vulnérabilité lorsque les sécheresses se produisaient au printemps, en particulier sur les sites où la croissance à long terme n'est pas significativement corrélée avec les facteurs climatiques. Cette meilleure compréhension du rôle de la saisonnalité de la sécheresse et de la sensibilité climatique des sites est essentielle pour mieux prédire les trajectoires de reprise de la croissance post-sécheresse en réponse au climat plus sec prévu pour l'Europe. Estudios recientes han identificado fuertes relaciones entre el retraso en la recuperación del crecimiento de los árboles después de la sequía y la mortalidad de los árboles causada por las sequías posteriores. Estas observaciones plantean preocupaciones sobre los servicios de los ecosistemas forestales y la recuperación del crecimiento posterior a la sequía, dado el aumento proyectado en la frecuencia y los extremos de la sequía. Para cuantificar el impacto de las sequías extremas en el crecimiento radial de los árboles, utilizamos una red de datos de ancho de anillos de árboles de 1689 árboles de 100 sitios que representan la mayor parte de la distribución de dos especies de roble caducifolio tolerantes a la sequía (Quercus petraea y Quercus robur). Primero examinamos qué factores climáticos y estaciones controlan el crecimiento de las dos especies y si hay alguna tendencia latitudinal, longitudinal o de elevación. Luego cuantificamos la desviación relativa del crecimiento previo a la sequía durante las sequías y la rapidez con que los árboles pudieron recuperar el nivel de crecimiento previo a la sequía. Nuestros resultados mostraron que el crecimiento estaba más relacionado con la precipitación y el equilibrio hídrico climático (precipitación menos evapotranspiración potencial) que con la temperatura. Sin embargo, no detectamos ninguna tendencia latitudinal, longitudinal o de elevación clara, excepto una influencia decreciente del equilibrio hídrico de verano en el crecimiento de Q. petraea con latitud. Ninguna de las especies pudo mantener el nivel de crecimiento previo a la sequía durante las sequías. Sin embargo, ambas especies mostraron una recuperación rápida o incluso una compensación de crecimiento después de las sequías de verano, pero mostraron una recuperación lenta en respuesta a las sequías de primavera, donde ninguna de las dos especies pudo recuperar completamente el nivel de crecimiento previo a la sequía durante los tres años posteriores a la sequía. En conjunto, nuestros resultados indican que los robles que se consideran resistentes a las sequías extremas también han mostrado vulnerabilidad cuando las sequías ocurrieron en primavera, especialmente en sitios donde el crecimiento a largo plazo no se correlaciona significativamente con los factores climáticos. Esta mejor comprensión del papel de la estacionalidad de la sequía y la sensibilidad climática de los sitios es clave para predecir mejor las trayectorias de la recuperación del crecimiento posterior a la sequía en respuesta al clima más seco proyectado para Europa. Recent studies have identified strong relationships between delayed recovery of tree growth after drought and tree mortality caused by subsequent droughts. These observations raise concerns about forest ecosystem services and post-drought growth recovery given the projected increase in drought frequency and extremes. For quantifying the impact of extreme droughts on tree radial growth, we used a network of tree-ring width data of 1689 trees from 100 sites representing most of the distribution of two drought tolerant, deciduous oak species (Quercus petraea and Quercus robur). We first examined which climatic factors and seasons control growth of the two species and if there is any latitudinal, longitudinal or elevational trend. We then quantified the relative departure from pre-drought growth during droughts, and how fast trees were able to recover the pre-drought growth level. Our results showed that growth was more related to precipitation and climatic water balance (precipitation minus potential evapotranspiration) than to temperature. However, we did not detect any clear latitudinal, longitudinal or elevational trends except a decreasing influence of summer water balance on growth of Q. petraea with latitude. Neither species was able to maintain the pre-drought growth level during droughts. However, both species showed rapid recovery or even growth compensation after summer droughts but displayed slow recovery in response to spring droughts where none of the two species was able to fully recover the pre-drought growth-level over the three post-drought years. Collectively, our results indicate that oaks which are considered resilient to extreme droughts have also shown vulnerability when droughts occurred in spring especially at sites where long-term growth is not significantly correlated with climatic factors. This improved understanding of the role of drought seasonality and climate sensitivity of sites is key to better predict trajectories of post-drought growth recovery in response to the drier climate projected for Europe. وقد حددت الدراسات الحديثة علاقات قوية بين الانتعاش المتأخر لنمو الأشجار بعد الجفاف ووفيات الأشجار الناجمة عن الجفاف اللاحق. تثير هذه الملاحظات مخاوف بشأن خدمات النظم الإيكولوجية للغابات والانتعاش في مرحلة ما بعد الجفاف بالنظر إلى الزيادة المتوقعة في تواتر الجفاف والظواهر المتطرفة. لقياس تأثير الجفاف الشديد على النمو الشعاعي للأشجار، استخدمنا شبكة من بيانات عرض حلقة الأشجار من 1689 شجرة من 100 موقع تمثل معظم توزيع نوعين من البلوط المتسامح مع الجفاف (Quercus petraea و Quercus robur). قمنا أولاً بفحص العوامل المناخية والمواسم التي تتحكم في نمو النوعين وما إذا كان هناك أي اتجاه عرضي أو طولي أو ارتفاعي. ثم قمنا بقياس الابتعاد النسبي عن نمو ما قبل الجفاف أثناء الجفاف، ومدى سرعة قدرة الأشجار على استعادة مستوى نمو ما قبل الجفاف. أظهرت نتائجنا أن النمو كان أكثر ارتباطًا بهطول الأمطار والتوازن المائي المناخي (هطول الأمطار ناقص التبخر والنتح المحتمل) من درجة الحرارة. ومع ذلك، لم نكتشف أي اتجاهات عرضية أو طولية أو ارتفاعية واضحة باستثناء تأثير متناقص لتوازن المياه الصيفية على نمو Q. petraea مع خط العرض. لم يتمكن أي من النوعين من الحفاظ على مستوى نمو ما قبل الجفاف أثناء الجفاف. ومع ذلك، أظهر كلا النوعين انتعاشًا سريعًا أو حتى تعويضًا عن النمو بعد الجفاف الصيفي، لكنهما أظهرا انتعاشًا بطيئًا استجابةً للجفاف الربيعي حيث لم يتمكن أي من النوعين من التعافي الكامل من مستوى النمو قبل الجفاف على مدى سنوات ما بعد الجفاف الثلاث. بشكل جماعي، تشير نتائجنا إلى أن أشجار البلوط التي تعتبر مرنة في مواجهة الجفاف الشديد أظهرت أيضًا ضعفًا عند حدوث الجفاف في الربيع خاصة في المواقع التي لا يرتبط فيها النمو طويل الأجل ارتباطًا كبيرًا بالعوامل المناخية. يعد هذا الفهم المحسن لدور موسمية الجفاف وحساسية المناخ للمواقع أمرًا أساسيًا للتنبؤ بشكل أفضل بمسارات تعافي النمو بعد الجفاف استجابة للمناخ الأكثر جفافًا المتوقع لأوروبا.

AbstractThe drivers of global change, including increases in atmospheric CO2concentrations, N and S deposition, and climate change, likely affect the nutritional status of forests. Here we show forest foliar concentrations of N, P, K, S and Mg decreased significantly in Europe by 5%, 11%, 8%, 6% and 7%, respectively during the last three decades. The decrease in nutritional status was especially large in Mediterranean and temperate forests. Increasing atmospheric CO2concentration was well correlated with the decreases in N, P, K, Mg, S concentrations and the increase of N:P ratio. Regional analyses indicated that increases in some foliar nutrient concentrations such as N, S and Ca in northern Europe occurred associated with increasingly favourable conditions of mean annual precipitation and temperature. Crucial changes in forest health, structure, functioning and services, including negative feedbacks on C capture can be expected if these trends are not reversed.