From spruce to beech forests - fundamental ecosystem transformation driven by climate change

Bøk har en vid utbredelse i Europa og når sin nordgrense i Sør-Norge. Med framtidige klimaendringer forventer en at bøka vil ekspandere og vandre nordover, og gjerne på bekostning av gran. Bøk kan med andre ord ha potensiale for en langt større utbredelse enn i dag. De dominerende treslaga og deres påvirkning av økosystemene har stor betydning for framtidas klima gjennom deres potensiale for binding av CO2. Undersøkelser fra tempererte skoger tyder på at CO2-bindingen er noe større i barskoger enn i lauvtreskoger. Vi trenger imidlertid mer kunnskap om både bøka og granas evne til klimatilpasning, hvordan de to treslaga påvirker nedbrytning og dermed CO2 lagringen under bakken. For å forstå dette trenger vi også mer kunnskap om den historiske veksten og utbredelsen til bøk i Norge, og ikke minst om hvor sannsynlig en slik framtidig ekspansjon er. Historiske skogbranner har hatt stor betydning for dagens skogøkosystemers biodiversitet og funksjon. Våre resultater viser at dagens bøke- og granskoger er upåvirket av brann, men at skogtypene som var til stede i Vestfold før dagens bøke- og granskoger, som begynte å etablerte seg her for omtrent 1 200 år siden, har vært svært påvirket av brann. Dette tyder på at både bøk og gran har evne til å danne skogtyper som kan forandre forekomst og karakter av skogbrann. Historiske branner i det som tidligere var gran- eller furuskog har derfor åpnet veien for dagens bøkedominans. Vi studerer hvordan de to ulike treslaga påvirker nedbryterne i sitt substrat, kvantitativt og kvalitativt. Granstrø brytes ned raskere enn bøkestrø, men både gran- og bøkestrø brytes raskest ned i bøkeskog. Bøkestrø frigjør mest nitrogen, men mengde nitrogen frigjort er ikke forskjellig mellom skogtypene. Soppbiomassen er høyest i granstrø, men selv om det er mye høyere nedbrytningsrater i bøkeskogene, er det ingen forskjell i soppbiomasse i de to skogtypene. Sammensetningen av sopp- og bakteriesamfunn er veldig forskjellig i strø fra de to skogtypene. Vi har sådd bøk og gran i jord fra både gran og bøkeskog under kontrollerte betingelser i veksthus. I løpet av vekstsesongen vokste både bøk og gran mest i granjord. Granplantene vokste fortere i "egen" jord, mens bøk vokste bare marginalt bedre i jord fra granskog. Vi har videre gjort et transplantasjonseksperimenter, der strø fra bøkeskog ble flyttet til granskog og omvendt. Her ble det gjort et så-forsøk hvor man fant at begge typer frø spirte best i granstrø, også i bøkeskog. Her gjør vi videre studier av kjemiske faktorer i de ulike strøtypene som kan påvirke etableringen. En forutsetning for at bøkeskog skal klare å utkonkurrere granskog er at frø av bøk lykkes med etablering i granskog. Frøspisende dyr spiller en viktig rolle, da bøkefrø er god mat både for fugl og små pattedyr. Vi har ved hjelp av videoovervåking ser vi at frøpredasjonsraten er høy i både gran- og bøkeskog, at den øker fra vår til høst, og viktigst, at gran blir mest negativt påvirket av frøpredasjon. Bøkefink og klatremus er de desidert viktigste frøpredatorene, men løpebiller har også evne til å ta en del granfrø, men bare i granskog, hvilket er en klar disfavør for grana. Ved hjelp av klimakammer- og feltforsøk prøver vi å definere norske bøkeproveniensers klimatiske potensiale, ved å studere bl.a. kvilebryting og frostherdighet, vekst og karbonallokering. Som del av en masteroppgave ble 81 gran og bøkenaboer i Vestfold studert for vekst de siste 75 åra relatert til klima. Grovt sagt kan vi si at begge treslag ser ut til å bli negativt påvirka av varmere og tørrere vær i landsdelen, men at effekten ser ut til å være størst på gran. Vi har videre studert kvilebryting hos norske bøkeprovenienser i perioden oktober-mars. Vi ser at de norske bøkeproveniensene hovedsakelig er kontrollert av temperatur, slik at en varm vår vil gi tidlig knoppsprett, med påfølgende fare ved eventuell vårfost. Vi har også testa de kvilende knoppenes frostherdighet i fryseforsøk, og ser at i vintermånedene tåler de ned mot -20 °C før de fryser og dør. Dette kan bety at bøka per i dag vil tåle innlandsklimaet i Norge dårlig. Vi tester også bøkas potensiale under ulike klimaforhold i felt, og har oppretta 3 såkalte «common gardens» (Vestfold, Akershus, Levanger) med 6 ulike provenienser fra en gradient gjennom Europa, fra Spania til Norge. Slik vil vi få indikasjoner på hvor godt bøka har tilpassa seg vekstforholda i Sør-Norge på den tida den har vært her, hvor stort potensialet er i dag for å vandre nordover, og om hvilke faktorer som først og fremst begrenser utbredelsen. I et forsøk med to naboskoger av de to treslaga har vi undersøkt mengden karbon, nitrogen, soppbiomasse og pH ved ulike djup ned til berggrunnen, og sammenligna innhold av karbon og tungtløselige karbonforbindelser i de øvre jordlaga. Det viktigste funnet er at total karbonlagring i de to skogene er relativt lik, i kontrast til den veletablerte antakelsen om at granskog lagrer mer karbon i jorda

Using the HadCM3 climate scenario, recent projections of the future distribution of European tree species and vegetation zones suggest that the northern boundaries of temperate forests and hemiboreal forests in southern Scandinavia would move northwards b y about 300-500 km to achieve equilibrium with the new climate. In a South-East Norwegian perspective, such a future change of vegetation and forest types imply that huge areas and their ecosystems will go through fundamental transformations. For example, today's ecosystems that are dominated by Norway spruce are projected to be transformed to beech and mixed beech forest ecosystems, which will be a truly fundamental transformation as key-stone species composition, biodiversity, ecosystem function and ser vices are to be altered. These expected major ecosystem transformations call for knowledge about their rates, drivers and societal consequences. Regarding this, the importance of Norway spruce in the Norwegian forestry sector deserves to be mentioned - th e species is actually the economically most important tree in Norway. In this project we will combine retrospective, descriptive and experimental approaches to explore the relationships between climate change, land-use stress, and the occurrence and ecolo gically functioning of spruce- and beech forests in South-East Norway. Our reason for focusing on this part of Norway is that it provides a "natural laboratory" with landscapes in which spruce- and beech forests meet as beech reaches its north-western dis tribution limit here. In particular we will target how stress induced by land-use interacts with climate change to alter robustness and tipping-points in spruce forest ecosystems, and thereby speeding up their potential transformation into beech forests. Here, the impact of the land-use stress will have a temporal perspective as both historical stress mainly caused by anthropogenic use of fire and recent stress induced by forestry operations will be examined.