Drivers of annual variation in tree growth and forest sensitivity to storm damage in Finland

In this thesis, my aim is to study the drivers of tree growth variation and forest predisposition to storm disturbance in Finland. More specifically, the thesis aims to answer the following research questions: (1) What is the role of tree provenance in the climatic control of radial growth variation in Norway spruce? (2) How do weather conditions outside of growing season affect radial growth variation in Norway spruce and Scots pine? (3) How are forest properties, forest management and abiotic environmental factors connected to the storm damage probability of forest stands and individual trees? (4) Do the same factors affect stand-level damage probability in different storm types: autumn extra-tropical cyclones and summer thunder storms? (5) Is fine-scale topographic information connected to tree-level storm damage probability? The thesis addresses these questions by analyzing extensive empirical data sets. The different climatic drivers of Norway spruce provenances were studied using a tree-ring data from seven Norway spruce provenance experiments in Finland, established already in the 1930s and located in different climatic conditions and containing a large variety of provenances. The effects of non-growing season climatic conditions on tree-growth were studied by comparing tree-ring data from unmanaged forests with variables describing winter conditions and modelled tree frost hardiness levels. Storm damage probability on stand and tree levels was examined with storm damage data sets collected at Finnish National Forest Inventory plots after major storms. A statistical modeling approach was used throughout the thesis, utilizing methods such as generalized mixed effects models and statistical distributions of extreme values. The results revealed provenance differences in radial growth variation in Norway spruce. Provenances differed most in their growth response to winter temperature, as adaptation to low winter temperatures was weaker in Central European than in Northern European provenances. While cold winter temperatures were associated with frost damage and declined radial growth in Central European spruce provenances transferred north, simple temperature variables were not sufficient in studying the responses of trees to conditions outside of the growing season in natural forests. Instead, the results showed signs of reduced growth after events of insufficient frost hardiness levels and winters with high frost sum of snowless days. This indicates that accounting for a complexity of factors, such as frost hardiness of trees, snow cover and soil frost, is needed to understand the implications of weather conditions outside of growing season to tree growth. Stand-level damage probability was affected by stand characteristics and previous management operations. On tree-level, damage probability was connected to type of the tree species (conifer or broad-leaved) and tree height as well as recent changes in wind exposure and wood decay in the stand. Storm damage probability in autumn storms and summer thunder storms was affected by similar factors, and the similarities were clearest in the effects of forest management history and topography. However, due to the limitations of the data, the results may have missed subtler differences between the storm types. Topography was associated with storm damage probability on both stand and individual tree level. The results also show that high-resolution topographical information, describing the local topography near the tree, can improve models of tree-level storm damage probability.Väitöskirjassani tutkin puun kasvun vaihteluun sekä metsien myrskytuhoherkkyyteen vaikuttavia tekijöitä. Väitöskirja pyrkii vastaamaan seuraaviin tutkimuskysymyksiin: (1) Miten sääolojen vaikutus puun kasvuun eroaa kuusen eri eurooppalaisilla alkuperillä? (2) Miten kasvukauden ulkopuoliset sääolot vaikuttavat puun paksuuskasvuun kuusella ja männyllä? (3) Miten metsän ominaisuudet, metsänhoito ja ympäristötekijät vaikuttavat myrskytuhon todennäköisyyteen metsikön ja yksittäisen puun tasolla? (4) Vaikuttavatko samat tekijät myrskytuhoherkkyyteen erityyppisissä myrskyissä? (5) Onko pienen mittakaavan topografinen vaihtelu yhteydessä myrskytuhon todennäköisyyteen yksittäisen puun tasolla? Näihin tutkimuskysymyksiin paneudutaan analysoimalla kattavia empiirisiä aineistoja. Eri kuusen alkuperien erilaisia kasvuvasteita sääolojen vaihteluun tutkittiin analysoimalla puulustoaineistoa, joka on kerätty eri puolelle Suomea jo 1930-luvulla istutetuista alkuperäkokeista. Kasvukauden ulkopuolisten sääolojen vaikutuksia tutkittiin vertaamalla luonnontilaisista metsistä kerättyä puulustoaineistoa talviolosuhteita ja puiden mallinnettua kylmänkestävyyttä kuvaaviin muuttujiin. Metsien myrskytuhoja tutkimiseen käytettiin Valtakunnan metsien inventoinnin koealoilta dokumentoitua tuhotietoja voimakkaiden myrskyjen jälkeen. Aineistojen analysoinnissa hyödynnettiin tilastollisen mallintamisen menetelmiä. Tulokset paljastivat eroja kasvunvaihtelussa kuusen alkuperien välillä. Suurimmat erot alkuperien välillä liittyivät talvilämpötiloihin – keskieurooppalaiset alkuperät kasvoivat huonommin kylmien talvien jälkeen, kun taas suomalaiset alkuperät ovat paremmin sopeutuneita kylmään ilmastoon. Myös luonnontilaisten metsien puulustoaineistojen analysointi näytti, että kylmät talvet eivät olleet yhteydessä kasvun heikkenemiseen paikallista alkuperää olevilla puilla. Sen sijaan mahdollisesti riittämätön kylmänkestävyyden taso ja vähälumiset mutta kylmät talvet olivat joissain tapauksissa yhteydessä heikentyneeseen kasvuun. Tämä osoittaa, että pelkkien lämpötilamuutosten huomioiminen ei riitä, kun tutkitaan muuttuvien talviolosuhteiden vaikutuksia metsiin. Myrskytuhon todennäköisyys metsissä liittyi puuston ominaisuuksiin, aiempiin metsänhoitotoimenpiteisiin sekä paikallisiin tuuliolosuhteisiin vaikuttaviin tekijöihin. Tulokset osoittivat samojen tekijöiden vaikuttavan tuhon todennäköisyyteen tutkituissa myrskytyypeissä, eli kesäisissä ukkosmyrskyissä ja voimakkaisiin matalapaineisiin liittyvissä syysmyrskyissä. Etenkin metsänhoitohistorian ja topografian vaikutukset olivat eri myrskytyypeillä samanlaisia. Topografia oli yhteydessä myrskytuhon todennäköisyyteen niin metsikkö- kuin puutasolla. Tulokset osoittivat, että korkearesoluutioisten korkeusmallien avulla voidaan parantaa puutason myrskytuhomalleja