Simulation und Bewertung von Nutzungsstrategien unter heutigen und veränderten Klimabedingungen mit dem Wuchsmodell SILVA 2.2
Simulation and Evaluation of Silvicultural Treatments under current and changed climate conditions with the Forest Growth Model SILVA 2.2
by Heidi Döbbeler
Date of Examination:2004-05-28
Date of issue:2004-10-15
Advisor:Prof. Dr. Hermann Spellmann
Referee:Prof. Dr. Jürgen Nagel
Referee:Prof. Dr. Burghard von Lüpke
Persistent Address:
http://hdl.handle.net/11858/00-1735-0000-0006-B114-3
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Format:PDF
Description:Dissertation
Abstract
English
The goal of this study is to find methods to investigate the effects of silvicultural treatments on growth and stand structure of German forests under climate and climate change. The study is part of the project "German Forest Sector under Global Change". Within this context the forest growth simulator SILVA 2.2 is used as a tool to examinate silvicultural concepts. SILVA 2.2 is a distance-dependent and site-sensitive individual tree growth simulator. In a first step current silvicultural concepts for treatment and harvesting from selected German states are compared with special regard to climatic dependences. The silvicultural guidelines consider climatic aspects only for species-specific stocking depending on site factors. They are not considered in species-specific treatment guidelines. Further, the influences of biotic and abiotic disturbances under predicted climate change are considered. Especially for Norway spruce, but also for beech, oak, and Scots pine increasing risks are very likely. Silvicultural conclusions for the main tree species are presented. A methodological approach is developed for the quantitative description of silvicultural concepts. For different forest development stages this approach defines the target basal area in relation to the maximum possible stand density. In order to be able to consider different yield levels maximum stand densities are derived from experimental plot data of five German regions. The maximum stand densities are also used to support the mortality models in SILVA. The implementation of the concept in SILVA 2.2 is a feasible solution. The management strategy chosen is an elite-tree oriented selective thinning, followed by a target-diameter-cut harvesting. Based on a stratification of National Forest Inventory, forest soil-, and interpolated climate data a forest estate model representing the most important types of German forests is developed. The numerous stratification characteristics decrease the remaining data pool for the generation of the model stands. This problem shall be taken into account for further investigations, especially on regional or operation level. Generated model stands are the basis for further simulations with the growth simulator SILVA 2.2. The effects of treatments are compared with unthinned stands considering the current climate and a scenario of climate change. The silvicultural concepts generalize the desired development of stand types. In SILVA the application of these concepts to concrete model stands migth cause some undesirable behaviour like unrealistic removals or intervals without harvesting.Depending on the user's questions, adjustments of the strategies are needed. The scenario of climate change is based on the global climate model of the Hadley Center, University of East Anglia (HadCM2). It predicts higher average temperatures, slightly increased precipitation, prolonged vegetation periods, and lower annual amplitudes of temperature for Germany. In comparison to other scenarios the HadCM2 scenario is considered as moderate. The development of the model stands is analyzed for growth, stability, and structure using different indicators. In SILVA 2.2 numerous explanatory variables are used to describe single tree growth. Also a comprehensive analysis of structure is ensured by different indicators. On the other hand, for simulating the crucial effect of target diameter harvesting or the phase of maturity, respectively, on stand structure SILVA 2.2 lacks of a regeneration model. Another weakness of the model is that only the mean height-diameter ratio of a stand is available to evaluate stand stability. The analysis reveals a reduced total growth of Norway spruce for changed climatic conditions. The same results are found in the study of possible disturbances for Norway spruce.Probably, Norway spruce will be the first species which will reach its ecological limits under climate change. The Scots pine model stands instead show an increase in total volume growth. Scots pine is considered a stable species, which is able to reduce the risk in mixed stands with Norway spruce. The simulations of mixed stands with Norway spruce and Scots pine show the shift of the competition relations in favour to Scots pine. The beech model stands show hardly any effect to the changed climatic conditions. But the sites of these stands are placed in the west of Germany. In the east of Germany under more continental climatic conditions, the area of beech is expected to decrease.Further research need for the estimation of impacts of climatic change lies in the development of models, which are capable of calculating forests risks.
Keywords: climate change; silvicultural treatment; simulation; SILVA 2.2; yield level; disturbance regime
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Ziel der Untersuchung ist es, Methoden aufzuzeigen, mit denen sich die Auswirkungen waldbaulicher Eingriffe auf das Wachstum und die Strukturen von Wäldern in Deutschland unter heutigen und veränderten Klimabedingungen überprüfen lassen. Die Arbeit ist Teil des Projektes "Wälder und Forstwirtschaft Deutschlands im Globalen Wandel". In diesem Rahmen wird das Waldwachstumsmodell SILVA 2.2 als Werkzeug zur Überprüfung von Nutzungskonzepten verwandt. Bei dem Modell handelt es sich um einen einzelbaumorientierten, positionsabhängigen und standortsensitiven Wachstumssimulator. Aktuelle waldbauliche Pflege- und Nutzungskonzepte ausgewählter Bundesländer werden miteinander verglichen und auf klimatisch bedingte Unterschiede hin überprüft. Es wird festgestellt, dass die Berücksichtigung klimatischer Aspekte lediglich in Form der standortgerechten Baumartenwahl ihren Niederschlag findet, nicht aber in den baumartenspezifischen Behandlungskonzepten. Weiterhin wird das Störungsgeschehen sowohl hinsichtlich biotischer als auch abiotischer Faktoren für die Hauptbaumarten unter dem Aspekt der prognostizierten Klimaänderung untersucht und waldbauliche Konsequenzen daraus abgeleitet. Insbesondere für Fichte, aber auch für Buche, Eiche und Kiefer werden überwiegend erhöhte Risiken angenommen. Es wird ein methodischer Ansatz zur quantitativen Charakterisierung von Nutzungskonzepten vorgestellt. Dieser definiert für verschiedene Entwicklungsphasen Zielgrundflächen im Verhältnis zu maximal möglichen Bestandesdichten. Zur Berücksichtigung von Ertragsniveau unterschieden werden die maximalen Bestandesdichten mit Hilfe von Versuchsflächendaten für fünf großräumige Regionen in Deutschland hergeleitet. Die Implementierung des Konzeptes in SILVA 2.2 erweist sich als praktikable Lösung. Mit den Daten zur maximalen Bestandesdichte wird gleichfalls das Einzelbaum-Mortalitätsmodell in SILVA unterstützt. Die Bestandesbehandlung erfolgt in Form einer Auslesedurchforstung mit sich anschließender Zielstärkennutzung. Zur Bildung eines Modellbetriebs mit den für Deutschland wichtigsten Bestandes- und Standortstypen wird eine Stratifizierung der Daten der Bundeswaldinventur bzw. des Datenspeicher Waldfonds durchgeführt. Die hohe Anzahl der Stratifizierungsmerkmale schränkt jedoch den verbleibenden Datenpool für die Generierung von Modellbeständen ein. Diese nicht unerheblichen Probleme sollten für mögliche weiterführende Untersuchungen beachtet werden, insbesondere dann, wenn sie auf regionaler oder betrieblicher Ebene stattfinden sollen. Die generierten Modellbestände werden mit dem Waldwachstumssimulator SILVA 2.2 fort geschrieben. Die Folgen von Nutzungseingriffen werden im Vergleich zu unbehandelten Beständen jeweils unter heutigen und unter veränderten Klimabedingungen untersucht. Da die Nutzungskonzepte Strategien für Bestandstypen darstellen, entstehen bei deren Umsetzung mit SILVA an konkreten Modellbeständen zum Teil Fehler wie praxisfremde Eingriffsstärken oder Behandlungspausen, die je nach Fragestellung des Anwenders Anpassungen der Strategien notwendig werden lassen. Das verwendete Klimaszenario basiert auf dem globalen Klimamodell des Hadley Center, University of East Anglia (HadCM2). Es prognostiziert für Deutschland steigende Mitteltemperaturen, leicht erhöhte Niederschläge, eine verlängerte Vegetationszeit und eine verringerte Jahrestemperaturamplitude. Im Vergleich zu anderen Klimaszenarien kann dieses Szenario als eher gemäßigt gelten. Die Entwicklung der Modellbestände wird in den Bereichen Wachstum, Stabilität und Struktur anhand einer Reihe von Indikatoren bewertet. Der Bereich des Wachstums ist durch eine Vielzahl von Bewertungskriterien gut abgedeckt. Problematisch ist die Beurteilung der Stabilität, da hier nur der h/d-Wert zur Verfügung steht. Eine gute Strukturanalyse ist durch verschiedene Strukturindizes gewährleistet. Da SILVA 2.2 aber während der Projektlaufzeit noch nicht über ein Verjüngungsmodul verfügt, können keine realitätsnahen Aussagen zu Strukturänderungen im Zeitraum der Zielstärkennutzung bzw. der Alterungsphase getroffen werden. Die Szenarioanalysen ergeben für die Fichtenmodellbestände bei verändertem Klima eine deutlich geminderte Gesamtwuchsleistung. Damit bestätigt sich die aus der Betrachtung des Störungsgeschehens abgeleitete Hypothese, dass die Fichte im Zuge einer Klimaerwärmung voraussichtlich als erste Baumart ihre ökologische Grenze erreichen wird. Für die Kiefernmodellbestände dagegen lässt sich eine wachstumsfördernde Wirkung der Klimaänderung feststellen. Die Kiefer gilt als weitgehend stabile Baumart, die auf Grenzstand orten der Fichte als Mischbaumart die Stabilität erhöhen und das Risiko verteilen kann. Die Simulationsrechnungen der aus Fichte und Kiefer gemischten Modellbestände zeigen die Verschiebungen der Konkurrenzverhältnisse zugunsten der Kiefer bei sich ändernden Klimabedingungen. Die Buchenmodellbestände reagieren mit kaum nennenswerten Veränderungen auf die Klimaänderung. Die Standorte dieser Bestände befinden sich allerdings im Westen Deutschlands. Im kontinentaleren Osten Deutschlands, wo sich die Buche in ihren Grenzbereichen befindet, wird hingegen eine Verkleinerung des Buchenareals bei einer Klimaänderung erwartet. Zur Abschätzung von Klimafolgen besteht Forschungsbedarf in der Entwicklung von Modellen, die in der Lage sind, Risiken mit einzukalkulieren.
Schlagwörter: Klimaänderung; waldbauliche Behandlung; Simulation; SILVA 2.2; Ertragsniveau; Störungsregime