Coppice as a new perspective for an adaptive forest management

Ing. Marko Stojanović

Doctoral thesis

VÝMLADKOVÝ LES, JAKO NOVÁ PERSPEKTIVA PRO ADAPTAČNÍ LESNÍ HOSPODÁŘSTVÍ

Abstract:

Zvýšená četnost a intenzita period sucha postihuje vysoké dubové lesy a způsobuje jejich chřadnutí, snižující přírůst a nedostatečnou přirozenou obnovu. K překonání takových potíží jsou zapotřebí nové adaptační strategie. Výmladkový les, jako nejstarší způsob lesního hospodářství, může poskytnout jistá řešení. V naší studii jsme porovnali porosty dvou kontrastních hospodářských tvarů lesa, a to nízkého a vysokého lesa dubu zimního (Quercus petraea (Matt.) Liebl), jak v počátečních stádiích vývoje lesa, tak v dospělém stavu. V porostech nízkého a vysokého lesa dubu zimního srovnatelného stáří byly porovnány parametry asimilace (maximální rychlost; Amax) a fotosyntetické účinnosti (maximální kvantový výtěžek; ) mladých dubů v různých kategoriích dopadající intenzity světla: za minimálního světla s hodnotami nepřímého stanovištního faktoru (ISF) < 20%, za nízkého světla – 20%30% během příznivých a suchých podmínek. Měření maximálních asimilačních dávek byla provedena během tří po sobě jdoucích vegetačních období (2012, 2013 a 2014). U stejných mladých dubových porostů byla pomocí sap flow systémů sledována transpirace během celého vegetačního období 2015. Studium transpirace bylo doplněno měřením vodního potenciálu listů (LWP) během tří měřících kampaní s kontrastními povětrnostními podmínkami. Navíc byla provedena dendrochronologická studie v blízkém dospělém vysokém a letitém výmladkovém dubovém lesním porostu. Analyzovali jsme a projektovali vztahy mezi klimatem a přírůstem tak, abychom posoudili vliv emisních scénářů 21. století na přírůst výčetní kruhové základny a na její dynamiku jak u stromu tak porostu s růzílnou porostní strukturou.Kvantový výtěžek fotosyntézy (byl v optimálních podmínkách u semenáčků nejvyšší v kategorii plně zapojené, zatímco u výmladků v kategorii rozvolněného zápoje. Během několika suchých period v roce 2013 byl evidentní pokles výtěžku fotosyntézy semenáčků ve všech kategoriích, zatímco u výmladných výhonků nebyly pozorovány žádné rozdíly v účinnosti mezi vlhkostně příznivým rokem 2012 a rokem 2013 s prokázaným stresem suchem, což svědčí o zvýhodnění mladých výmladků oproti semenáčkům v této konkrétní světelné kategorii. Výmladné výhonky rovněž transirovaly více než semenáčky a to jak na individuální, tak na porostní úrovni během celé vegetační sezóny 2015. Obzvláště vysoké rozdíly mezi výmladky a semenáčky byly pozorovány během období sucha. Výhonky výmladků vykazovaly menší omezení zásobování vodou díky objemnému a již vyvinutému hlubšímu kořenovému systému, což bylo potvrzeno měřením vodního potenciálu v listech. Dendrochronologická studie navíc ukázala, že porosty vykazovaly různé dlouhodobé růstové trendy a rovněž kontrastní růstové reakce v návaznosti na klimatické parametry a sucho. Dendrochronologická data a lineární smíšený model ukázaly podobný vliv srážek v období duben-květen (pozitivní) jak pro stromy semenného, tak výmladného původu. Ukázalo se, že teploty z předešlého podzimu a z června daného roku statisticky významně negativně korelují s radiálním přírůstem výmladků. Nicméně stromy z přirozeně zmlazených porostů vykazovaly vyšší citlivost na sucho a během 20. století měly tendenci zvyšovat radiální růst vlivem vyšších teplot předešlého podzimu. Pozitivní vliv teplejších podzimů, který se potvrdil jen v porostu vysokého tvaru lesa, může být spojen s prodlužujícím se vegetačním obdobím, což naznačuje zlepšení adaptační kapacity pro zvládnutí nadcházejí

Abstract:

cích teplejších podmínek.Předkládané výsledky ukazují mladé výmladky jako jednu ze slibných adaptačních alternativ lesního hospodářství s lepší adaptační strategií v extrémních lokalitách, zejména v podmínkách omezené dostupnosti vody. Pozorovaná výhoda v souladu s růstovými poměry na studovaných výmladkových stanovištích přetrvala pouze během prvních dvou desetiletí a poté se pozvolna snižovala. Přeměna starších výmladných lesů na porostní struktury vysokého lesa, stejně jako probírky porostů lesa vysokého, by mohly přispět ke zvýšení adaptační kapacity lesa dubu zimního, aby se vyrovnal s oteplováním v suchých oblastech střední Evropy.

Abstract:

Increased frequency and intensity of drought events consequently affect oak high forests with the process of further decline, compromised growth and questionable natural regeneration. To overcome such difficulties, new adaptive strategies are required. Coppicing, as the oldest way of forest management might provide some solutions. In our study, we compared two contrasting management systems, coppice and high sessile oak (Quercus petraea (Matt.) Liebl) forests, both in initial and mature stages of forest development. Assimilation and photosynthetic efficiency - maximal quantum yield () - of young oaks were compared in coppice and high sessile oak stands of comparable age under different light intensity categories: under minimum light with values of indirect site factor (ISF) < 20%, in low light – 20%30% during favourable and drought conditions. Measurements of maximal assimilation rates were performed during three consecutive growing seasons (2012, 2013 and 2014). Transpiration of the same young oak stands were monitored using the sap flow systems during the whole growing season of 2015. The study of transpiration was supplemented by leaf water potential (LWP) measurements during three measurement campaigns with contrasting weather conditions. Furthermore, dendrochronological study was conducted on a nearby adult high and aged coppice sessile oak forest stands. We analysed and projected climate-growth relationships and assessed the impact of the 21st century emission scenarios on the tree basal area increments and stand basal-area dynamics under different stand structures.The quantum yield () in optimal conditions in seedlings was highest in the category of closed canopy, while in coppice sprouts in medium light category. During severe drought in 2013, the drop in efficiency of seedlings was evident in all categories, while in coppice sprouts no differences in efficiency were observed between favourable 2012 and 2013 with expressed drought stress, proving the advantage of young coppice sprouts over seedlings in this particular light category. Likewise, coppice sprouts transpired significantly higher than seedlings on the individual as well as stand level during entire growing season in 2015. Particularly high differences were observed between sprouts and seedlings during drought conditions. Coppice sprouts indicated less water limitations due to voluminous and already established deeper root system, confirmed by the leaf water potential measurements. Furthermore, dendrochronological study indicated, that stands experienced different long-term growth trends and also exhibit contrasting growth responses to climate and drought events. Higher radial growth rates were observed in coppice compared to high forest in first two decades after establishing the forests. Dendrochronological data and linear mixed-effects models show similar effects of precipitation for April-May (positive) for both, seed- and coppice-origin trees. Previous autumn and current June temperatures show significant negative correlations with the radial coppice growth. Nonetheless, trees from natural stands exhibited higher drought sensitivity and tend to increase radial growth after previous autumn temperature during the 20th century. The positive effect of warmer autumns, only confirmed in high stand, might be related to extending growing season, suggesting improved adaptive capacity to cope with impending warmer conditions.Presented results attribute young coppices as one of the promising adaptable forest management alternative, with a better adaptive strategy on extreme sites, especially under water limiting conditions. Observed advantage according to growth rates in the studied coppice stands, persisted only during the first two decades and then gradually decreased. Conversion of aged coppice forests to high forest structures, as well as thinning of high stands,

Abstract:

would enhance sessile oak forest adaptive capacity to cope with warming in drought-prone areas of central Europe.

Keywords

vysoký les, výmladky, semenáčky, dub zimný, Výmladkový les, stres suchem, kvantový výnos, sap flow, transpirace, vodní potenciál listu, dendrochronologie, přírůst výčetní základny, klimatická změna, emisní scénáře

Keywords

transpiration, Coppice, high forest, seedlings, sessile oak, drought stress, quantum yield, sap flow, leaf water potential, dendrochronology, basal area increment, climate change, emission scenarios

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 21. 9. 2017

Thesis defence

• Supervisor: doc. Ing. Radek Pokorný, Ph.D.
• Reader: Jan Kadavý, doc. Dr. Ing., Vilém Podrázský, Ph.D., prof. Ing., Igor Štefančík, externi

Mendel University in Brno

Faculty of Forestry and Wood Technology

Doctoral programme / field:
Forest Engineering / Silviculture