• Energy Research

AbstractThe mechanistic pathways connecting ocean-atmosphere variability and terrestrial productivity are well-established theoretically, but remain challenging to quantify empirically. Such quantification will greatly improve the assessment and prediction of changes in terrestrial carbon sequestration in response to dynamically induced climatic extremes. The jet stream latitude (JSL) over the North Atlantic-European domain provides a synthetic and robust physical framework that integrates climate variability not accounted for by atmospheric circulation patterns alone. Surface climate impacts of north-south summer JSL displacements are not uniform across Europe, but rather create a northwestern-southeastern dipole in forest productivity and radial-growth anomalies. Summer JSL variability over the eastern North Atlantic-European domain (5-40E) exerts the strongest impact on European beech, inducing anomalies of up to 30% in modelled gross primary productivity and 50% in radial tree growth. The net effects of JSL movements on terrestrial carbon fluxes depend on forest density, carbon stocks, and productivity imbalances across biogeographic regions.

<p>Warmer climate and more frequent extreme droughts will pose major threats to forest ecosystems. Persistence of intra-specific populations of tree species will depend on their tolerance and adaptive capacities to forthcoming climate conditions. However, past demography processes due to post-glacial recolonization can also contribute to the genetic-based differences in growth responses among provenances. In this study, we investigated the impact of climatic conditions on growth traits among 18 provenances of silver fir (<em>Abies alba </em>Mill.) from west, south and eastern Europe growing in two provenance trials established in Switzerland in 1980s. We further assessed whether the differences in growth-related traits across provenances were linked to their genetic differences due to recolonization history and natural selection processes.</p><p>In total 250 individuals were measured and cored for dendrochronological analyses, and different growth-related traits were calculated: i) total tree height and diameter at breast height (DBH), ii) growth-climate relationships using correlations between tree-ring width and monthly climate parameters as well as levels of autocorrelation, and iii) short-term responses to extreme drought using resilience components (resilience, resistance, and recovery) to the severe drought that occurred in the study area in 2003. We also genotyped all the individuals in 150 putatively neutral single nucleotide polymorphisms to define the neutral genetic structure of the population, the neutral genetic differentiation among provenances (<em>F<sub>ST</sub></em>) and the genetic variation among provenances in relation to the total genetic variance in a trait (<em>Q<sub>ST</sub></em>). Signs of natural selection were assessed by two approaches: i) Pearson correlations between the least-square means of provenances of the traits and bioclimatic variables from the seed origin, and ii) <em>Q<sub>ST</sub>-F<sub>ST</sub></em> comparison.</p><p>The studied provenances grouped into three longitudinal clusters reassembling the genetic lineages of refugia from the last glacial maximum: the provenance of the Pyrenees as a sole member of the westernmost cluster, the Central European provenances representing the central cluster and all the eastern European provenances forming the eastern cluster. These three lineages showed differences in growth performance traits (height and DBH), with the trees from the eastern cluster being the top performers. The Pyrenees cluster showed significantly lower recovery and resilience to the extreme drought of 2003 as well as lower values of growth autocorrelation. A <em>Q<sub>ST</sub>-F<sub>ST</sub></em> and correlation analyses with climate of provenance origin suggest that the differences among provenances found in some traits result from natural selection. Our study suggests that post-glacial re-colonization and natural selection are the major drivers explaining the intra-specific variability in growth of silver fir across Europe. These findings provide insights to support assisted gene flow to ensure the persistence of the species in European forests.</p>

Climate change-induced rise of air temperatures and the increase of extreme climatic events, such as droughts, will largely affect plant growth and hydraulics, leading to mortality events all over the globe. In this study, we investigated the growth and hydraulic responses of seedlings of contrasting functional types. Pinus sylvestris, Quercus spp. and Castanea sativa seedlings were grown in a common garden experiment under four treatments: control, air warming, drought and their combination during two consecutive growing periods. Height and diameter increments, stomatal conductance and stem water potentials were measured during both growing seasons. Additionally, hydraulic parameters such as xylem-specific native and maximum hydraulic conductivities, and native percentage of loss of conductivity were measured at the end of the entire experiment. Our results clearly pointed to different adaptive strategies of the studied species. Scots pine displayed a relatively isohydric behavior with a strict stomata control prohibiting native embolism whereas sweet chestnut and oak as relatively anisohydric species displayed an increased loss of native conductivity as a results of low water potentials. Seasonal timing of shoot and diameter growth also differed among functional types influencing drought impacts. Additionally, the possibility of embolism reversal seemed to be limited under the study conditions.

Les forêts subissent des risques croissants de mortalité des arbres induite par la sécheresse. Les schémas de remplacement des espèces après la mortalité peuvent avoir un impact significatif sur le cycle mondial du carbone. Parmi les principaux feuillus, les chênes à feuilles caduques (Quercus spp.) sont de plus en plus signalés comme remplaçant les conifères mourants dans l'hémisphère Nord. Pourtant, nos connaissances sur les réponses de croissance de ces chênes à la sécheresse sont incomplètes, en particulier en ce qui concerne les effets de l'héritage post-sécheresse. Les objectifs de cette étude étaient de déterminer l'occurrence, la durée et l'ampleur des effets hérités des sécheresses extrêmes et comment cela varie selon les espèces, les sites et les caractéristiques de la sécheresse. Les effets hérités ont été quantifiés par la déviation des indices de croissance radiale observés par rapport aux indices de croissance radiale attendus au cours de la période 1940–2016. Nous avons utilisé des chronologies au niveau des peuplements provenant de 458 sites et de 21 espèces de chênes provenant principalement d'Europe, d'Amérique du Nord-Est et d'Asie orientale. Nous avons constaté que les effets hérités des sécheresses pouvaient durer de 1 à 5 ans après la sécheresse et étaient plus prolongés dans les sites secs. Les effets négatifs sur l'héritage (c.-à-d. une croissance plus faible que prévu) étaient plus fréquents après des sécheresses répétitives dans les sites secs. L'effet de la sécheresse répétitive était plus fort chez les chênes méditerranéens, en particulier chez Quercus faginea. Les analyses spécifiques aux espèces ont révélé que Q. petraea et Q. macrocarpa des sites secs étaient plus négativement affectés par les sécheresses tandis que la croissance de plusieurs espèces de chênes des sites mésiques augmentait pendant les années post-sécheresse. Les sites montrant des corrélations positives avec la température hivernale ont montré peu ou pas de dépression de croissance après la sécheresse, tandis que les sites avec une corrélation positive avec le bilan hydrique estival précédent ont montré une diminution de la croissance. Cela peut indiquer que, bien que le réchauffement hivernal favorise la croissance des arbres pendant les sécheresses, les précipitations estivales de l'année précédente peuvent prédisposer les chênes aux sécheresses extrêmes de l'année en cours. Nos résultats ont révélé un rôle massif des sécheresses répétitives dans la détermination des effets patrimoniaux et ont mis en évidence comment la sensibilité de la croissance au climat, la saisonnalité de la sécheresse et les traits spécifiques aux espèces déterminent les effets patrimoniaux chez les espèces de chênes à feuilles caduques. Los bosques corren un riesgo creciente de mortalidad arbórea inducida por la sequía. Los patrones de reemplazo de especies después de la mortalidad pueden tener un impacto significativo en el ciclo global del carbono. Entre las principales maderas duras, se informa cada vez más que los robles caducifolios (Quercus spp.) reemplazan a las coníferas moribundas en todo el hemisferio norte. Sin embargo, nuestro conocimiento sobre las respuestas de crecimiento de estos robles a la sequía es incompleto, especialmente con respecto a los efectos heredados posteriores a la sequía. Los objetivos de este estudio fueron determinar la ocurrencia, duración y magnitud de los efectos heredados de las sequías extremas y cómo varían según las especies, los sitios y las características de la sequía. Los efectos heredados se cuantificaron por la desviación de los índices de crecimiento radial esperados observados en el período 1940–2016. Utilizamos cronologías a nivel de stand de 458 sitios y 21 especies de roble, principalmente de Europa, el noreste de América y el este de Asia. Descubrimos que los efectos heredados de las sequías podían durar de 1 a 5 años después de la sequía y eran más prolongados en sitios secos. Los efectos negativos heredados (es decir, un crecimiento menor de lo esperado) fueron más frecuentes después de sequías repetitivas en sitios secos. El efecto de la sequía repetitiva fue más fuerte en los robles mediterráneos, especialmente en Quercus faginea. Los análisis específicos de la especie revelaron que Q. petraea y Q. macrocarpa de sitios secos se vieron más negativamente afectados por las sequías, mientras que el crecimiento de varias especies de roble de sitios mesicos aumentó durante los años posteriores a la sequía. Los sitios que mostraron correlaciones positivas con la temperatura invernal mostraron poca o ninguna depresión del crecimiento después de la sequía, mientras que los sitios con una correlación positiva con el balance hídrico del verano anterior mostraron un crecimiento disminuido. Esto puede indicar que, aunque el calentamiento invernal favorece el crecimiento de los árboles durante las sequías, las precipitaciones de verano del año anterior pueden predisponer a los robles a las sequías extremas del año en curso. Nuestros resultados revelaron un papel masivo de las sequías repetitivas en la determinación de los efectos heredados y destacaron cómo la sensibilidad del crecimiento al clima, la estacionalidad de la sequía y los rasgos específicos de las especies impulsan los efectos heredados en las especies de roble caducifolio. Forests are undergoing increasing risks of drought-induced tree mortality. Species replacement patterns following mortality may have a significant impact on the global carbon cycle. Among major hardwoods, deciduous oaks (Quercus spp.) are increasingly reported as replacing dying conifers across the Northern Hemisphere. Yet, our knowledge on the growth responses of these oaks to drought is incomplete, especially regarding post-drought legacy effects. The objectives of this study were to determine the occurrence, duration, and magnitude of legacy effects of extreme droughts and how that vary across species, sites, and drought characteristics. The legacy effects were quantified by the deviation of observed from expected radial growth indices in the period 1940–2016. We used stand-level chronologies from 458 sites and 21 oak species primarily from Europe, north-eastern America, and eastern Asia. We found that legacy effects of droughts could last from 1 to 5 years after the drought and were more prolonged in dry sites. Negative legacy effects (i.e., lower growth than expected) were more prevalent after repetitive droughts in dry sites. The effect of repetitive drought was stronger in Mediterranean oaks especially of Quercus faginea. Species-specific analyses revealed that Q. petraea and Q. macrocarpa from dry sites were more negatively affected by the droughts while growth of several oak species from mesic sites increased during post-drought years. Sites showing positive correlations to winter temperature showed little to no growth depression after drought, whereas sites with a positive correlation to previous summer water balance showed decreased growth. This may indicate that although winter warming favors tree growth during droughts, previous-year summer precipitation may predispose oak trees to current-year extreme droughts. Our results revealed a massive role of repetitive droughts in determining legacy effects and highlighted how growth sensitivity to climate, drought seasonality and species-specific traits drive the legacy effects in deciduous oak species. تتعرض الغابات لمخاطر متزايدة من نفوق الأشجار بسبب الجفاف. قد يكون لأنماط استبدال الأنواع بعد الوفاة تأثير كبير على دورة الكربون العالمية. من بين الأخشاب الصلبة الرئيسية، يتم الإبلاغ بشكل متزايد عن أن أشجار البلوط المتساقطة (Quercus spp.) تحل محل الصنوبريات الميتة في جميع أنحاء نصف الكرة الشمالي. ومع ذلك، فإن معرفتنا باستجابات النمو لهذه البلوط للجفاف غير مكتملة، خاصة فيما يتعلق بآثار إرث ما بعد الجفاف. كانت أهداف هذه الدراسة هي تحديد حدوث ومدة وحجم الآثار القديمة للجفاف الشديد وكيف يختلف ذلك عبر الأنواع والمواقع وخصائص الجفاف. تم قياس الآثار القديمة من خلال الانحراف الملحوظ عن مؤشرات النمو الشعاعي المتوقعة في الفترة 1940–2016. استخدمنا التسلسل الزمني على مستوى الوقوف من 458 موقعًا و 21 نوعًا من البلوط في المقام الأول من أوروبا وشمال شرق أمريكا وشرق آسيا. وجدنا أن الآثار القديمة للجفاف يمكن أن تستمر من 1 إلى 5 سنوات بعد الجفاف وكانت أطول في المواقع الجافة. كانت الآثار القديمة السلبية (أي نمو أقل مما كان متوقعًا) أكثر انتشارًا بعد الجفاف المتكرر في المواقع الجافة. كان تأثير الجفاف المتكرر أقوى في أشجار البلوط المتوسطية خاصةً من سعف البحر الأبيض المتوسط. كشفت التحليلات الخاصة بالأنواع أن Q. petraea و Q. macrocarpa من المواقع الجافة تأثرا سلبًا أكثر بالجفاف بينما زاد نمو العديد من أنواع البلوط من المواقع الإنسية خلال سنوات ما بعد الجفاف. أظهرت المواقع التي تظهر ارتباطات إيجابية لدرجة حرارة الشتاء انخفاضًا طفيفًا أو معدومًا في النمو بعد الجفاف، في حين أظهرت المواقع ذات الارتباط الإيجابي بتوازن المياه في الصيف السابق انخفاضًا في النمو. قد يشير هذا إلى أنه على الرغم من أن الاحترار الشتوي يفضل نمو الأشجار أثناء الجفاف، إلا أن هطول الأمطار في الصيف في العام السابق قد يهيئ أشجار البلوط للجفاف الشديد في العام الحالي. كشفت نتائجنا عن دور هائل للجفاف المتكرر في تحديد الآثار القديمة وأبرزت كيف أن حساسية النمو للمناخ وموسمية الجفاف والسمات الخاصة بالأنواع تدفع الآثار القديمة في أنواع البلوط المتساقطة.

Significance Climate extremes are major drivers of long-term forest growth trends, but we still lack appropriate knowledge to anticipate their effects. Here, we apply a conceptual framework to assess the vulnerability of Circum-Mediterranean Abies refugia in response to climate warming, droughts, and heat waves. Using a tree-ring network and a process-based model, we assess the future vulnerability of Mediterranean Abies forests. Models anticipate abrupt growth reductions for the late 21st century when climatic conditions will be analogous to the most severe dry/heat spells causing forest die-off in the past decades. However, growth would increase in moist refugia. Circum-Mediterranean fir forests currently subjected to warm and dry conditions will be the most vulnerable according to the climate model predictions for the late 21st century.