FoResLab - Future Lab towards Forests Resilient to Climate Change. A new inter- and transdisciplinary project for resilient forests in Lower Saxony under the conditions of climate change

[GERMAN VERSION] FoResLab wird gefördert mit Mitteln aus zukunft.niedersachsen, einem Förderprogramm des Niedersächsischen Ministeriums für Wissenschaft und Kultur und der VolkswagenStiftung.Es ist ein Konsortium der Georg-August-Universität Göttingen (Projektleitung),Hochschule für angewandte Wissenschaft und Kunst,dem Julius Kühn-Institut, der Leibniz Universität Hannover, dem Luxemburg Institut für Wissenschaft und Technologie, der Nordwestdeutschen Forstliche Versuchsanstalt Göttingen und der Technische Universität Braunschweig.

Der Klimawandel wirkt sich unmittelbar auf die Wälder in Mitteleuropa aus und stellt eine Herausforderung für die Art und Weise dar, wie Wälder unter den derzeitigen und künftigen Bedingungen bewirtschaftet werden. Da Wälder wesentliche Ökosystemfunktionen und -dienstleistungen für die Gesellschaft erbringen, werden dringend Lösungen benötigt, um Wälder resilient gegen den Klimawandel zu machen. Wir schlagen vor, FoResLab - Future Lab towards Forests Resilient to Climate Change als neue Plattform in Niedersachsen einzurichten, um in einem inter- und transdisziplinären Ansatz die zentrale Frage zu beantworten: Wie können wir Wälder unter heutigen und zukünftigen Bedingungen resilient gegenüber Klimaveränderungen machen? FoResLab wird Experten aus drei Universitäten, einer Hochschule für Angewandte Wissenschaft und Kunst, zwei staatlichen Forschungseinrichtungen, einem internationalen Partner sowie fünf Praxispartnern zusammenbringen und so eine enge Verknüpfung von Wissenschaft, Wirtschaft und Zivilgesellschaft gewährleisten. Organisiert in drei Plattformen und 13 Teilprojekten wird FoResLab neue Wege der inter- und transdisziplinären Forschung, der Wissenschaftskommunikation und des Wissenstransfers beschreiten. In der Experimentellen Plattform werden wir – in einem harmonisierten experimentellen Design – relevante Ökosystemfunktionen und -dienstleistungen in sechs hochgradig instrumentierten Wäldern unter Verwendung neuester Fast-Echtzeit-Sensorik untersuchen, um multifunktionale Indikatoren für die Resilienz der Wälder gegenüber dem Klimawandel abzuleiten. Die experimentelle Plattform dient der Unterstützung und Validierung der Digitalen Plattform, bei der luft- und weltraumgestützte Fernerkundungs- sowie Modellierungsansätze zwei Online-Produkte liefern werden, die für die Öffentlichkeit zugänglich sind: (1) Digitale Zwillinge unserer Versuchsstandorte werden es ermöglichen, Bewirtschaftungsoptionen für reale Wälder in einer digitalen Umgebung zu erkunden, und (2) der Online-Wald-Wasserstress-Monitor wird eine noch nie dagewesene räumliche und zeitliche Auflösung der zeitnahen Waldüberwachung in Niedersachsen und darüber hinaus bieten. Die Gesellschaftsplattform wird die transdisziplinäre Forschung fördern, Synthese-Veröffentlichungen anregen und eine umfassende Einbeziehung der Interessengruppen gewährleisten. Durch das neue Wissensmuseum von UGOE, das Forum Wissen, werden wir neue Wege in der digitalen Bildung, bei öffentlichen Veranstaltungen und in der Wissenschaftskommunikation beschreiten und so Wissenschaft, Politik und Gesellschaft ideal miteinander verbinden. Durch seine Forschung, die Einbeziehung von Interessengruppen und der Gesellschaft sowie den akademischen und nichtakademischen Wissenstransfer wird FoResLab einen grundlegenden Schritt in Richtung zu klimawandel-resilienten Wälder machen.

Zusammenfassung des Teilprojekts 02 Beyer (02 Beyer): Resilienzpfade der unterirdischen und oberirdischen Wasserverhältnisse Hintergrund und Vorarbeiten: Mischwälder gelten als die widerstandsfähigsten Waldökosysteme angesichts der prognostizierten klimatischen Veränderungen (Pardos et al. 2021), was aber auch in Frage gestellt wird (Searle et al. 2022). Dieses SP zielt darauf ab, standortspezifische und hochaufgelöste Abschätzungen des Waldwasserhaushalts Wasserhaushaltes des Waldes durch eine kombinierte Überwachung des Wasserzustandes und der Wasserflüsse unter und über der Baumkrone (in Verbindung mit 01 Ammer und 05 Seidel), um die Widerstandsfähigkeit von Mischwäldern zu beurteilen. Dies wird räumlich und zeitlich hoch aufgelöste Beobachtungen von Wassertransportprozessen mit kleineren (Saftflussmessungen, 01 Ammer) und größeren Messungen (Wasserflüsse auf Bestandsebene Wasserflüsse auf Bestandsebene 04 Knohl, satellitengestützte Ansätze, 07 Magdon, 09 Mallick) und ermöglichen eine wirklich rigorose Prozessbeschreibungen und Quantifizierungen der Beziehungen zwischen dem Wasserhaushalt des Bodens und der Pflanzen. Zielsetzungen und Hypothesen: Die spezifischen Ziele dieses SP sind: O1: Bewertung der Unterschiede des Waldwasserhaushalts als Reaktion auf unterschiedliche hydroklimatische Bedingungen und Artenzusammensetzungen; O2: Bereitstellung baumspezifischer, UAV-basierter Transpirationsschätzungen; O3: Nutzung des Potenzials von kombinierten hochauflösender Messungen über der Baumkrone und unter dem Boden für die Echtzeitüberwachung des Wasserzustandes der Pflanzen und der Widerstandsfähigkeit der Wälder. Wir werden die folgenden Hypothesen testen: H1: Die ökohydrologische Widerstandsfähigkeit von Laubmischwäldern ist größer als die von Monostandwäldern. H2: Der Waldwasserhaushalt Der Wasserhaushalt des Waldes ist sehr standortspezifisch; unter- und oberirdische Parameter sind für die Widerstandsfähigkeit gleichermaßen wichtig; H3: Nicht-destruktive, UAV-basierte Transpirationsschätzungen bieten ein zuverlässiges Instrument für Echtzeit Überwachung des Wasserverbrauchs einzelner Pflanzen und des Wasserzustands.

Herangehensweise und Arbeitsplan: In enger Zusammenarbeit mit 01 Ammer, 03 Biester, 04 Knohl, und 08 Hartmann werden wir in-situ ökohydrologische Daten (Boden- und Pflanzenwasserisotope, Bodenfeuchte) in einer hohe räumlich-zeitliche Auflösung (d.h. Bäume auf definierten Parzellen und sub-täglich) und UAV-abgeleitete Transpirationsschätzungen auf der Ebene der Parzelle. Intensive Zusammenarbeit mit 08 Hartmann und 09 Mallick zur Validierung des Digitalen Zwillings und des Online-Wald-Wasserstress-Monitors ist geplant. Arbeitsplan: i) Aufbau eines eines Messnetzes (zusammen mit 01 Ammer, 03 Biester, 05 Seidel), kontinuierliche Überwachung von ökohydrologischen Variablen (Bodenfeuchte, Wurzelwasseraufnahme, Saftstrom, Transpiration); ii) UAV-gestütztes Thermisches Infrarot-Monitoring an den Untersuchungsstandorten (zusammen mit 05 Seidel) und regelmäßige UAV-Überflüge eine Validierung gegen Flusstürme (04 Knohl); iii) Quantifizierung des Wasserhaushalts an den untersuchten Standorten. Erwartete Ergebnisse: (a) Grundwasserneubildung unter verschiedenen hydroklimatischen Bedingungen und Waldtypen Waldtypen, (b) Quantifizierung der Wasserflüsse unter verschiedenen hydroklimatischen Bedingungen und Waldtypen, (c) Bewertung der Widerstandsfähigkeit der Wälder in Bezug auf die Wasserflüsse.

[ENGLISH VERSION] FoResLab is funded by zukunft.niedersachsen, a funding program of the Lower Saxony Ministry of Science and Culture and the Volkswagen Foundation.It is a consortium of the Georg-August-Universität Göttingen (project lead), the University of Applied Sciences and Arts, the Julius Kühn Institute, the Leibniz Universität Hannover, the Luxembourg Institute of Science and Technology, the Nordwestdeutsche Forstliche Versuchsanstalt Göttingen and the Technische Universität Braunschweig.

Climate change directly affects the forests in Central Europe and challenges the way how they are managed under current and future conditions. As forests provide essential ecosystem functions and services to society, solutions are urgently needed to make forests resilient to climate change. We propose to establish FoResLab – Future Lab towards Forests Resilient to Climate Change as a new platform in Lower Saxony to address – in a highly inter- and transdisciplinary approach – the question: How can we make forests resilient to climate changes in current and future conditions? FoResLab will bring together experts from three universities, one university of applied sciences and arts, two state/federal research institutions, one international partner as well as five practice partners ensuring a close link of science, private sector, and civil society. Organised in three platforms and 13 subprojects, FoResLab will pursue novel ways of inter- and transdisciplinary research, science communication, and knowledge transfer. In the Experimental Platform, we will investigate – in a harmonised experimental design – relevant ecosystem functions and services at six highly instrumented forests using latest near-real-time sensorics to derive multi-functional indicators of forest resilience to climate change. The Experimental Platform will serve for testing and validation of the Digital Platform, where airborne and spaceborne remote sensing as well as modelling approaches will provide two online products available for stakeholders and civil society: (1) Digital Twins of our experimental sites will allow exploring management options of real-world forests in a digital setting, and (2) the Online Forest Water Stress Monitor will offer an unprecedented spatio-temporal resolution of close-to-real-time forest monitoring in Lower Saxony and beyond. The Societal Platform will foster transdisciplinary research, stimulate synthesis publications, and ensure comprehensive stakeholder involvement. Through UGOE’s new knowledge museum, Forum Wissen, we will explore novel ways in digital education, public events, and science communication, thus ideally connecting science, politics, and society. Through its research, stakeholder and society involvement, as well as academic and non-academic knowledge transfer, FoResLab will provide a fundamental step towards forests resilient to climate change.

Summary of Subproject 02 Beyer (02 Beyer): Resilience pathways of below-ground and above-canopy water relationships Background and preliminary work: Mixed forests are believed to be the most resilient forest ecosystems in view of predicted climatic changes (Pardos et al. 2021), but this has also been questioned (Searle et al. 2022). This SP aims at providing site-specific and high-resolution estimates of the forest water balance by a combined monitoring of below-ground and above-canopy water status and fluxes (connected to 01 Ammer and 05 Seidel) in order to assess the resilience of mixed forests. This will enable us to integrate spatio-temporally high-resolution observations of water transport processes with both smaller (sap flow measurements, 01 Ammer) and larger-scale measurements (stand-level water fluxes 04 Knohl, satellite-based approaches, 07 Magdon, 09 Mallick) and allow truly rigorous process descriptions and quantifications of the relationships between the soil and plant water balances. Objectives and hypotheses: The specific objectives of this SP are: O1: To assess the differences of the forest water balance in response to different hydroclimatic conditions and species compositions; O2: To provide tree-specific, UAV-based transpiration estimates; O3: To utilize the potential of combined high-resolution above-canopy and below-ground measurements for real-time monitoring of plant water status and forest resilience. We will test the following hypotheses: H1: The ecohydrological resilience of mixed broad-leaf forests is greater compared to monostand forests. H2: The forest water balance is highly site-specific; below- and above-ground parameters are equally important for resilience; H3: Non-destructive, UAV-based transpiration estimates provide a reliable tool for real-time monitoring of individual plant water use and water status. Approach and workplan: In close cooperation with 01 Ammer, 03 Biester, 04 Knohl, and 08 Hartmann we will provide in-situ ecohydrological data (soil and plant water isotopes, soil moisture) in a high spatio-temporal resolution (i.e., trees on defined plots and sub-daily) and UAV-derived transpiration estimates on the plot scale. Strong interaction with 08 Hartmann and 09 Mallick for validation of the Digital Twin and the Online Forest Water Stress Monitor are planned. Working plan: i) Establishment of monitoring network (together with 01 Ammer, 03 Biester, 05 Seidel), continuous monitoring of ecohydrological variables (soil moisture, root water uptake, sap flow, transpiration); ii) UAVbased thermal infrared monitoring at the study sites (together with 05 Seidel) and regular UAV overflights a validation against flux towers (04 Knohl); iii) Quantifications of the water balance at the investigated sites. Expected outcomes: (a) Groundwater recharge under different hydroclimatic conditions and forest types, (b) Quantifications of water fluxes under different hydroclimatic conditions and forest types, (c) Evaluation of forest resilience in respect to water fluxes.