Original article

Tree-ring Δ¹³C reveals the impact of past forest management on water-use efficiency in a Mediterranean oak coppice in Tuscany (Italy)

Le Δ¹³C des cernes révèle l’impact de la gestion forestière passée sur l’efficience d’utilisation de l’eau dans un taillis de chêne méditerranéen en Toscane (Italie)

¹ DISAFRI – Department of Forest Environment and Resources, University of Tuscia, via San Camillo de Lellis s.n.c., 01100, Viterbo, Italy
² CRA – Research Unit for Wood Production Outside Forests, via Valle della Quistione 27, 00166 Rome, Italy
³ CNR – Institute of Agro-Environmental and Forest Biology, via Guglielmo Marconi 2, 05010 Porano (TR), Italy
⁴ WSL – Swiss Federal Institute for Forest, Snow and Landscape Research, Zurcherstrasse 111, 8903 Birmensdorf, Switzerland

^* Corresponding author: giovanni.dimatteo@entecra.it

Received: 19 May 2009
Accepted: 17 October 2009

Abstract

• The effects of thinning and heavy stand density reduction was investigated in Turkey oak (Quercus cerris L.) forests of central Italy, to evaluate the physiological responses and the growth status of trees that survived a past coppice cut and thinning to convert the stand to high-forest.

• The working hypothesis was that a strong decrease in stand density would cause a decreasing in canopy-intrinsic water-use efficiency (measured as the ratio of CO₂ assimilation to stomatal conductance, A/g), thus an increase in tree-ring carbon isotopic discrimination (Δ¹³C).

• The tree-ring Δ¹³C of the remaining trees (“survivors”) was found to have significantly (P < 0.05) raised between year two and year seven since the coppice stand was thinned (high-forest conversion thinnings). This effect was mostly caused by a large decrease in tree-rings Δ¹³C at control site which was characterized by high density and competition by trees. An increase in survivors tree-rings Δ¹³C probably indicates an improved water availability, possibly induced by a decrease in competition and in stand density or a decrease in the precipitation intercepted by the canopy (i.e., a stronger increase in g over A since a decrease in A is highly unlikely). A change in foliar nitrogen, foliar Δ¹³C and content in chlorophylls was also recorded seven years after thinning.

• Thinnings carried out to convert old abandoned coppices into high-forest stands induce short-term stimulation of Turkey oak growth by increasing light and water availability. We were able to make a detailed reconstruction of the impact of past silvicultural treatment on the stand using a tree-ring wood Δ¹³C time-series.

Résumé

• Les effets de l’éclaircie et de la réduction importante de la densité du peuplement ont été étudiés dans des forêts de chêne de Turquie (Quercus cerris L.) de l’Italie centrale, afin d’évaluer les réactions physiologiques et l’état de croissance des arbres qui ont survécu à une coupe de taillis et à une éclaircie pour la conversion du peuplement en futaie.

• L’hypothèse de travail était qu’une forte diminution de la densité du peuplement entraînerait une baisse de l’efficience intrinsèque d’utilisation de l’eau de la canopée (mesurée par le rapport de l’assimilation de CO₂ à la conductance stomatique, A/g), donc par une augmentation de la discrimination isotopique du carbone dans les cernes (Δ¹³C).

• Les Δ¹³C des cernes des arbres restants (“survivants”) ont été trouvés significativement (P < 0,05) augmentés entre deux ans et sept ans après que le peuplement de taillis a été éclairci (conversion en futaie). Cet effet a été principalement causé par une importante diminution du Δ¹³C des cernes dans le peuplement témoin qui se caractérise par une forte densité et par une forte concurrence entre les arbres. Une augmentation de Δ¹³C dans les cernes des arbres survivants indique probablement une disponibilité en eau améliorée, induite peut-être par une diminution de la concurrence et de la densité du peuplement ou une diminution des précipitations interceptées par la canopée (par exemple, une augmentation très forte de g au dessus de A puisque une diminution de A est hautement improbable). Un changement dans l’azote foliaire, le Δ¹³C foliaire et le contenu en chlorophylles ont également été enregistrés sept ans après l’éclaircie.

• Les éclaircies effectuées pour convertir les anciens taillis abandonnés en futaies induisent une stimulation à court terme de la croissance du chêne de Turquie en augmentant la lumière et la disponibilité en eau. Nous avons été en mesure de faire une reconstitution minutieuse de l’impact des traitements sylvicoles passés en utilisant des séries chronologiques temporelles de Δ¹³C du bois des cernes.