Treeline and climate change : analyzing and modeling patterns and shifts in the Swiss Alps

Summary: Global warming has led to an average earth surface temperature increase of about 0.7 °C in the 20th century, according to the 2007 IPCC report. In Switzerland, the temperature increase in the same period was even higher: 1.3 °C in the Northern Alps anal 1.7 °C in the Southern Alps. The impacts of this warming on ecosystems aspecially on climatically sensitive systems like the treeline ecotone -are already visible today. Alpine treeline species show increased growth rates, more establishment of young trees in forest gaps is observed in many locations and treelines are migrating upwards. With the forecasted warming, this globally visible phenomenon is expected to continue. This PhD thesis aimed to develop a set of methods and models to investigate current and future climatic treeline positions and treeline shifts in the Swiss Alps in a spatial context. The focus was therefore on: 1) the quantification of current treeline dynamics and its potential causes, 2) the evaluation and improvement of temperaturebased treeline indicators and 3) the spatial analysis and projection of past, current and future climatic treeline positions and their respective elevational shifts. The methods used involved a combination of field temperature measurements, statistical modeling and spatial modeling in a geographical information system. To determine treeline shifts and assign the respective drivers, neighborhood relationships between forest patches were analyzed using moving window algorithms. Time series regression modeling was used in the development of an air-to-soil temperature transfer model to calculate thermal treeline indicators. The indicators were then applied spatially to delineate the climatic treeline, based on interpolated temperature data. Observation of recent forest dynamics in the Swiss treeline ecotone showed that changes were mainly due to forest in-growth, but also partly to upward attitudinal shifts. The recent reduction in agricultural land-use was found to be the dominant driver of these changes. Climate-driven changes were identified only at the uppermost limits of the treeline ecotone. Seasonal mean temperature indicators were found to be the best for predicting climatic treelines. Applying dynamic seasonal delimitations and the air-to-soil temperature transfer model improved the indicators' applicability for spatial modeling. Reproducing the climatic treelines of the past 45 years revealed regionally different attitudinal shifts, the largest being located near the highest mountain mass. Modeling climatic treelines based on two IPCC climate warming scenarios predicted major shifts in treeline altitude. However, the currently-observed treeline is not expected to reach this limit easily, due to lagged reaction, possible climate feedback effects and other limiting factors. Résumé: Selon le rapport 2007 de l'IPCC, le réchauffement global a induit une augmentation de la température terrestre de 0.7 °C en moyenne au cours du 20e siècle. En Suisse, l'augmentation durant la même période a été plus importante: 1.3 °C dans les Alpes du nord et 1.7 °C dans les Alpes du sud. Les impacts de ce réchauffement sur les écosystèmes - en particuliers les systèmes sensibles comme l'écotone de la limite des arbres - sont déjà visibles aujourd'hui. Les espèces de la limite alpine des forêts ont des taux de croissance plus forts, on observe en de nombreux endroits un accroissement du nombre de jeunes arbres s'établissant dans les trouées et la limite des arbres migre vers le haut. Compte tenu du réchauffement prévu, on s'attend à ce que ce phénomène, visible globalement, persiste. Cette thèse de doctorat visait à développer un jeu de méthodes et de modèles pour étudier dans un contexte spatial la position présente et future de la limite climatique des arbres, ainsi que ses déplacements, au sein des Alpes suisses. L'étude s'est donc focalisée sur: 1) la quantification de la dynamique actuelle de la limite des arbres et ses causes potentielles, 2) l'évaluation et l'amélioration des indicateurs, basés sur la température, pour la limite des arbres et 3) l'analyse spatiale et la projection de la position climatique passée, présente et future de la limite des arbres et des déplacements altitudinaux de cette position. Les méthodes utilisées sont une combinaison de mesures de température sur le terrain, de modélisation statistique et de la modélisation spatiale à l'aide d'un système d'information géographique. Les relations de voisinage entre parcelles de forêt ont été analysées à l'aide d'algorithmes utilisant des fenêtres mobiles, afin de mesurer les déplacements de la limite des arbres et déterminer leurs causes. Un modèle de transfert de température air-sol, basé sur les modèles de régression sur séries temporelles, a été développé pour calculer des indicateurs thermiques de la limite des arbres. Les indicateurs ont ensuite été appliqués spatialement pour délimiter la limite climatique des arbres, sur la base de données de températures interpolées. L'observation de la dynamique forestière récente dans l'écotone de la limite des arbres en Suisse a montré que les changements étaient principalement dus à la fermeture des trouées, mais aussi en partie à des déplacements vers des altitudes plus élevées. Il a été montré que la récente déprise agricole était la cause principale de ces changements. Des changements dus au climat n'ont été identifiés qu'aux limites supérieures de l'écotone de la limite des arbres. Les indicateurs de température moyenne saisonnière se sont avérés le mieux convenir pour prédire la limite climatique des arbres. L'application de limites dynamiques saisonnières et du modèle de transfert de température air-sol a amélioré l'applicabilité des indicateurs pour la modélisation spatiale. La reproduction des limites climatiques des arbres durant ces 45 dernières années a mis en évidence des changements d'altitude différents selon les régions, les plus importants étant situés près du plus haut massif montagneux. La modélisation des limites climatiques des arbres d'après deux scénarios de réchauffement climatique de l'IPCC a prédit des changements majeurs de l'altitude de la limite des arbres. Toutefois, l'on ne s'attend pas à ce que la limite des arbres actuellement observée atteigne cette limite facilement, en raison du délai de réaction, d'effets rétroactifs du climat et d'autres facteurs limitants