Research Collection Master Thesis On the processes and factors shaping the Norway spruce’s (Picea abies) forests in the Southern Swiss Alps An analytical and modelling approach to understand the effect of climate change and Rhododendrons on the Norway spruce stands Author(s): Guidotti, Andrea Publication Date: 2020 Permanent Link: https://doi.org/10.3929/ethz-b-000438047 Rights / License: In Copyright - Non-Commercial Use Permitted This page was generated automatically upon download from the ETH Zurich Research Collection. For more information please consult the Terms of use. ETH Library Master’s Thesis in Environmental Sciences On the processes and factors shaping the Norway spruce’s (Picea abies) forests in the Southern Swiss Alps. An analytical and modelling approach to understand the effect of climate change and Rhododendrons on the Norway spruce stands. Author: Andrea Guidotti student ID no. 14-929-095 MSc Environmental sciences ETH Zürich [email protected] Supervisor: Dr. Monika Frehner ETH Zürich [email protected] Co-supervisors: Prof. Dr. Andreas Zischg University of Bern [email protected] Anne Herold Bonardi WSL Cadenazzo [email protected] Submission date: 18.05.2020 0 | 158 Front page picture: the sunrise sheds a light on a group of young Norway spruce trees. I took this picture from Cés, in Val Leventina (Ticino), in the Summer 2019. 1 | 158 “Do not go where the path may lead, go instead where there is no path and leave a trail.” Aphorism by Ralph Waldo Emerson 2 | 158 Summary The Norway spruce (Picea abies (L.) H. Karst.) is one of the most important tree species in the Southern Swiss Alps, especially in the mountain forests which support an essential protective function on the infrastructures and settlements of the inner alpine valleys. Norway spruce forests are subject to a multitude of stressors threatening their stability and hence the provision of their protective function on the long term. In this master thesis, I aim to identify the main processes and factors shaping the Norway spruce’s range in study area of the Southern Swiss Alps. I combined an analytic and modelling approach based on the most recent forest data from the Swiss National Forest Inventory (NFI) with a set of high-resolution indicators. Firstly, I analysed the current occurrence of this species in the study area. I calculated the changes measured in the Norway spruce’s stands in terms of stem density and basal area of living and dead trees, as well as the change in the number of seedlings and saplings. The reference data are the NFI2 and the NFI4. This first analysis denotes an increase in the species’ stocks but also an increase in the tree mortality, an overall uplift of the species’ range and a strong reduction in the frequency of the species’ rejuvenation. Secondly, I assessed the ecologic connection between the Norway spruce and the alpenroses (Rhododendron spp.), which are vectors of the needle’s bladder rust fungus (Chrysomyxa rhododendri). I used a combined analytic and modelling approach to assess the impact of this connection through a broad spectrum of topographic and pedo-climatic control variables. The procedure consists on a Likelihood-Ratio Test applied to a multi-linear regression. This combinatory assessment shows that the alpenroses’ cover degree is depressing the Norway spruce’s mixture and cover degree, both of the young and in the adult trees. This relationship is also true in the opposite direction. This evidence highlights the ecologic meaning of the allelopathic association between these species. Thirdly, I modelled the Norway spruce’s range by approximating the species’ mixture degree assessed in the NFI4, either referring to the established rejuvenation and to the adult trees. The method applied was a Tobit multi-regression. I produced four different models’ version. All models are based on high resolution climate data. For each fitted variable, I produced an extended version which accounts for the occurrence of the rusty- leaved alpenrose (Rhododendron ferrugineum) recursively predicted with an additional model. Finally, all models’ versions were projected in the second half of the 21st Century by integrating the corresponding future climate indicators based on the CLM scenario. The models based on the current climate display a reliable reconstruction of the present Norway spruce’s range in the study area. The non-linear boundaries of the Norway spruce’s range in the upper forest’s belts are reliably reproduced by integrating the predicted occurrence of the rusty-leaved alpenrose. The projections based on the future climate data present a dramatic retreat of the Norway spruce’s range towards its current centre of gravity in the Upper Ticino and in Val Poschiavo. The migration of the species to higher altitudes is hindered by the presence of the rhododendron. These results contrast with conventional models based on the whole of Switzerland. This shows that distinct dynamics are responsible for the absence of the Norway spruce in the study area, which could lead to a much greater decline of the species in the future than assumed in conventional scenarios. Nevertheless, any extrapolation drawn from modelling approach must be taken very cautiously and, in no circumstances, they should be considered as quantitative forecasts. In conclusion, in this thesis I highlighted that the Norway spruce’s stands of the Southern Swiss Alps are subject to a multitude of dynamics. On the long term-scale, they are showing an overall negative tendency of development. However, the main drivers of change as the changing disturbance regime and the land-use are not quantified in the climatic indicators. The complex interactions between these multiple factors needs therefore to be considered with a greater attention for responsibly addressing the challenges imposed by the current development of the mountain forests. 3 | 158 Riassunto L'abete rosso (Picea abies (L.) H. Karst.) è una delle specie arboree più importanti delle Alpi Svizzere Meridionali, soprattutto nelle foreste montane che svolgono una funzione protettiva essenziale sulle infrastrutture e sugli insediamenti delle valli alpine interne. Le foreste di abete rosso sono soggette a una moltitudine di fattori di stress che ne minacciano la stabilità e quindi la loro funzione protettiva a lungo termine. In questa tesi di Master mi propongo di individuare i principali fattori e processi che determinano l’areale dell’abete rosso nell'area di studio delle Alpi Svizzere Meridionali. L’approccio impiegato combina un procedimento analitico e modellistico basato sui più recenti dati forestali dell'Inventario Forestale Nazionale Svizzero (IFN) con una serie di indicatori ad alta risoluzione. In primo luogo, ho analizzato la presenza attuale di questa specie nell'area di studio. Ho calcolato i cambiamenti nei popolamenti di abete rosso in termini di densità di fusto e di superficie basale di alberi vivi e morti, nonché la variazione del numero di piantine e alberelli. I dati di riferimento sono l'IFN2 e l'IFN4. Questa prima analisi denota un aumento della provvigione della specie ma anche un aumento della mortalità degli alberi, un innalzamento generale del suo areale e una forte riduzione della frequenza del ringiovanimento della specie. In secondo luogo, ho valutato la connessione tra l'abete rosso e i rododendri (Rhododendron spp.), che sono vettori del fungo della ruggine vescicolare del peccio (Chrysomyxa rhododendri). Ho combinato un approccio analitico e modellistico per valutare la validità di questa connessione attraverso un ampio spettro di variabili di controllo topografiche e pedo-climatiche. La procedura consiste in un Test di "Likelihood-Ratio" applicato ad una regressione multilineare. Questo approccio denota che il grado di copertura dei rododendri è responsabile di una riduzione significativa nella mescolanza e nel grado di copertura dell'abete rosso, sia nel ringiovanimento che negli alberi adulti. Questo rapporto è vero anche nella direzione opposta. Questo risultato evidenzia il significato ecologico dell'associazione allelopatica tra queste specie. In terzo luogo, ho modellizzato l'areale attuale dell'abete rosso attraverso i dati sul grado di mescolanza del IFN4, sia per il ringiovanimento che per gli alberi adulti. Il metodo applicato è una Tobit-multiregressione. Ho prodotto quattro modelli diversi basati su dati climatici ad alta risoluzione. Per ogni variabile modellizzata, ho creato una versione estesa del rispettivo modello che tiene conto della presenza del rododendro rosso (Rhododendron ferrugineum), prevista ricorsivamente con un modello aggiuntivo. Infine, tutte i modelli sono stati proiettati nella seconda metà del 21° secolo, integrando i rispettivi indicatori climatici futuri basati sullo scenario CLM. I modelli basati sul clima attuale mostrano una ricostruzione affidabile dell'attuale areale di diffusione dell'abete rosso nell'area di studio. I confini non lineari dell'areale dell'abete rosso nelle fasce forestali superiori sono riprodotti in modo affidabile integrando la presenza del rododendro rosso. Le proiezioni basate sui dati climatici futuri presentano un drastico arretramento dell'abete rosso verso l'attuale baricentro dell'abete rosso nell'Alto Ticino e in Val Poschiavo. La migrazione della specie verso quote viene ostacolata dalla presenza del rododendro. Questi risultati sono in contrasto con i modelli convenzionali basati sull'insieme del territorio svizzero. Ciò dimostra che delle dinamiche distinte sono responsabili