Ann. For. Sci. 51 (1994) 477-492
DOI: 10.1051/forest:19940504

Short-term variations and long-term changes in oak productivity in northeastern France. The role of climate and atmospheric CO ₂

M Becker^a, TM Nieminen^b and F Gérémia<sup>a

a</sup>  INRA, Forest Research Center, 54280 Champenoux, France
^b  Finnish Forest Research Institute, PL 18, 01301 Vantaa, Finland

Abstract - A dendroecological study was carried out in 2 forests in northeastern France with the aim of identifying and quantifying possible long-term trends in the radial growth of sessile oak (Quercus petraea (Matt) Liebl) and pedunculate oak (Q robur L). A total of 150 sites were selected to represent the ecological diversity of these forests. An index Cdwas used to correct annual ring width in order to compensate for the effect of different competition situations. The data were standardized with reference to the mean curve 'basal area increment vs cambial age'. The growth index curves revealed a strong increase in sessile oak growth (+ 64% during the period 1888 to 1987) as well as in that of pedunculate oak (+40%). The growth increase in the 'young' rings (< 60 years) of sessile oak was + 81%, and that of young rings of pedunculate oak was + 49%. The corresponding increase in the 'old' rings (> 65 years) was + 48% and 15% respectively (not significant for the latter). It would thus appear that pedunculate oak has benefited to a lesser extent than sessile oak from the progressive changes in its environment. Years showing a strong growth decrease are more common for pedunculate oak than for sessile oak. These results are consistent with a recent hypothesis about a slow but general retreat of pedunculate oak, including severe episodic declines, in favour of sessile oak in many regions of France. A model was created using a combination of meteorological data (monthly precipitation and temperature) starting in 1881, and increasing atmospheric CO₂ concentrations. The model explains 78.3% of the variance for sessile oak and 74.3% for pedunculate oak. This includes some monthly parameters of year y (year of ring formation), and also some parameters of the years y- 1 to y- 4 for sessile oak and y- 1 to y- 5 for pedunculate oak. The models satisfactorily reproduce the long-term trends and the interannual variation. The climatic variables alone (ie excluding the CO₂ concentration) were insufficient to explain the trends observed. The possible direct and indirect effects of increasing CO₂ concentration on the growth of both species are discussed.

Résumé - Variations à court terme et changements à long terme de la productivité du chêne dans le nord-est de la France. Rôle du climat et du CO₂ atmosphérique. Une étude dendroécologique a été menée dans 2 forêts de chêne du nord-est de la France dans le but de mettre en évidence et de quantifier d'éventuels changements à long terme dans la croissance radiale du chêne sessile (Quercus petraea [Matt] Liebl) et du chêne pédonculé (Q robur L). Un total de 150 placettes ont été sélectionnées, représentatives de la diversité écologique de ces forêts. Les largeurs de cernes mesurées ont été corrigées à l'aide d'un index Cd afin de compenser l'effet des variations du statut de compétition entre les arbres. Ces données ont été standardisées par référence à la courbe moyenne des accroissements annuels en surface terrière en fonction de l'âge cambial. Les courbes d'indices de croissance révèlent une forte augmentation à long terme du niveau de productivité, aussi bien chez le chêne sessile (+ 64% entre 1888 et 1987) que chez le chêne pédonculé (+ 40%). L'augmentation est plus sensible pour les cernes «jeunes» (< 60 ans) : + 81% chez le sessile et + 49% chez le pédonculé. Pour les cernes «vieux» (> 65 ans), elle est respectivement de + 48% et 15% (non significatif pour la dernière). Il semble donc que le chêne pédonculé ait moins bénéficié que le chêne sessile des modifications progressives de son environnement. Les années caractéristiques d'une forte baisse relative de croissance sont beaucoup plus fréquentes chez le chêne pédonculé que chez le chêne sessile. Ces résultats sont cohérents avec l'hypothèse récente d'un déclin lent mais général du chêne pédonculé, au profit du chêne sessile, dans de nombreuses régions françaises, ponctué de dépérissements épisodiques sévères. Deux modèles climatiques ont été élaborés, sur la base de données météorologiques mensuelles de précipitations et de températures disponibles depuis 1881 ; l'augmentation progressive de la teneur en CO₂ atmosphérique a également été prise en compte. Ces modèles expliquent 78,3% de la variance pour le chêne sessile, et 74,3% pour le chêne pédonculé. Ils incluent non seulement certains paramètres climatiques de l'année y (année de formation du cerne), mais aussi divers paramètres des années y - 1 à y - 4 pour le chêne sessile et y - 1 à y - 5 pour le chêne pédonculé. Ces modèles reconstruisent de façon très satisfaisante aussi bien les tendances à long terme que les variations interannuelles. Les variables climatiques seules, sans la teneur en CO₂ atmosphérique, sont insuffisantes pour expliquer les tendances observées. Les effets possibles, directs et indirects, de l'augmentation du CO₂ sur la croissance des 2 espèces sont discutés.

Key words: Quercus robur / Quercus petraea / France / tree growth / dendrochronology / dendroecology / climate / precipitation / temperature / CO₂ / global change

Mots clés : Quercus robur / Quercus petraea / France / croissance des arbres / dendrochronologie / dendroécologie / climat / précipitations / température / CO₂ / changements globaux