| dc.contributor.advisor | Paul, Carola Prof. Dr. | |
| dc.contributor.author | Fuchs, Jasper M. | |
| dc.date.accessioned | 2024-06-12T07:50:02Z | |
| dc.date.available | 2024-06-19T00:50:07Z | |
| dc.date.issued | 2024-06-12 | |
| dc.identifier.uri | http://resolver.sub.uni-goettingen.de/purl?ediss-11858/15293 | |
| dc.identifier.uri | http://dx.doi.org/10.53846/goediss-10522 | |
| dc.format.extent | 141 | de |
| dc.language.iso | eng | de |
| dc.rights | Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International | * |
| dc.rights.uri | http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/ | * |
| dc.subject.ddc | 634 | de |
| dc.title | Economic potentials and limitations of tree-species diversification as an adaptation strategy to climate change and extreme weather events | de |
| dc.type | cumulativeThesis | de |
| dc.contributor.referee | Paul, Carola Prof. Dr. | |
| dc.date.examination | 2024-05-21 | de |
| dc.description.abstractger | Zunehmende biophysikalische Störungen im Zuge des Klimawandels haben gravierende Auswirkungen auf Waldökosysteme. Die großflächigen Kalamitätsereignisse der letzten Jahre in Mitteleuropa haben gezeigt, dass Extremwetterereignisse unser Verständnis der Mechanismen, die der Resistenz von Wäldern gegenüber Störungen zugrunde liegen, in Frage stellen. Große, räumlich korrelierte Schadereignisse führen zu hohen ökonomischen Verlusten für Forstbetriebe. Diesen fehlen dann Ressourcen für die Finanzierung der Wiederaufforstung und der Waldpflege. Baumartendiversifikation wird als eine zentrale Strategie zur Anpassung der Forstwirtschaft an die Zunahme klimabedingter Risiken erachtet. Diese Erwartung stützt sich vor allem auf ökologische Mechanismen und Argumente. Bioökonomische Modelle, die Baumarten als Anlagegüter eines Portfolios interpretieren, haben sich als nützlich erwiesen, um ökonomische Vorteile einer diversifizierten Baumartenzusammensetzung zu untersuchen. Ergebnisse basierend auf Simulationsmodellen auf Bestandesebene deuten darauf hin, dass eine Produktdiversifikation und eine höhere biophysikalische Stabilität in Mischbeständen auch ökonomische Risiken zu reduzieren vermögen. Die ökonomischen Vorteile einer Baumartendiversifikation sind jedoch noch nicht eindeutig geklärt und wurden bisher weder unter Extremwetterereignissen noch auf größerer räumlicher Skala untersucht.
Diese Dissertation untersucht die übergeordnete Hypothese, dass Baumartendiversifikation die ökonomischen Konsequenzen des Klimawandels und zunehmender Extremwetterereignisse für Forstbetriebe abzupuffern vermag. Die Analysen gliedern sich in drei Unterhypothesen:
H1: Das Potential der Baumartendiversifikation ökonomische Konsequenzen des Klimawandels abzupuffern wird durch die Kombination waldbaulicher Managementoptionen auf Bestandesebene beeinflusst.
H2: Das Potential der Baumartendiversifikation ökonomische Konsequenzen des Klimawandels abzupuffern wird durch Extremwetterereignisse beeinflusst.
H3: Das Potential der Baumartendiversifikation ökonomische Konsequenzen des Klimawandels abzupuffern wird durch die räumliche Skala vom Bestand bis zur Region beeinflusst.
Die vier wissenschaftlichen Beiträge der Dissertation untersuchten die Hypothesen mit einer Kombination ökonometrischer Analysen und normativer Simulations- und Optimierungsmodelle. Artikel 1 integrierte alternative waldbauliche Managementoptionen in Simulations- und Optimierungsmodelle, die Prinzipien der modernen Portfoliotheorie auf die Baumartenwahl anwenden. Der Artikel analysierte, inwieweit verschiedene Kombinationen proaktiver und reaktiver Managementoptionen in Fichtenwäldern (Picea abies (L.) H. Karst) in der Lage sind, ökonomische Konsequenzen von Schadereignissen auf der Bestandesebene abzupuffern. In Artikel 2 wurde ökonometrische Zeitreihenstatistik auf betriebliche Datensätze zu Erntevolumina, Schadholzvolumina und Holzerlösen angewendet. Impulse-Response-Funktionen dienten der Unterscheidung verschiedener Mechanismen hinter abnehmenden Holzerlösen nach Schadereignissen. Die Integration der abgeleiteten Schätzungen in ein R-Paket zur Holzbewertung (Artikel 3) ermöglichte die Unterscheidung des Einflusses von Extremwetterereignissen im Vergleich zu Schadereignissen in einzelnen Beständen auf Holzerlöse. In Artikel 4 wurde das Baumartenportfoliomodell von der Bestandesebene auf einen großen, regionalen Forstbetrieb mit mehreren, räumlich-expliziten Planungseinheiten übertragen. Innerhalb dieses Betriebsmodells führten verschiedene Szenarien möglicher zukünftiger Extremwetterereignisse zu räumlichen Korrelationen der Annuitäten der Planungseinheiten. Basierend auf den Simulationsergebnissen wurden optimale Bestandestypenportfolios unter unabhängiger Planung in den Planungseinheiten (bottom-up) und unter regionaler Planungsperspektive für den Gesamtbetrieb (top-down) ermittelt und hinsichtlich ihres Potentials, negative ökonomische Effekte des Klimawandels abzupuffern, verglichen. Die regionale Planung berücksichtigte dabei explizit die räumlichen Korrelationen.
Die Ergebnisse zeigten, dass Baumartendiversifikation ein höheres Potential zur Abmilderung ökonomischer Risiken hatte als andere waldbauliche Managementoptionen auf der Bestandesebene. Das Potential auch Verluste im erwarteten Erlös und in der risikoaversen Zielfunktion, Value-at-Risk, abzupuffern, hing jedoch von der Produktivität und den Holzerlösen der zu Fichtenwäldern beigemischten Baumart ab. Die ökonometrischen Ergebnisse zeigten, dass abnehmende Holzerlöse nach Schadereignissen hauptsächlich auf verringerte Marktpreise durch das Überangebot und weniger auf eine geringere Holzqualität zurückzuführen waren. Die Simulationen mit Extremwetterereignissen im Betriebsmodell deuteten darauf hin, dass die zusätzlichen ökonomischen Verluste weder durch Baumartendiversifikation auf lokaler noch auf regionaler Ebene ausgeglichen werden können. Anstatt die Bestandestypenzusammensetzung zu diversifizieren, wählte das Modell unter Extremwetterereignissen homogenere Bestandestypenportfolios. Es vermied Bestandesbegründungskosten, anstatt in biophysikalisch stabile Bestandestyen zu investieren. Die Standortsheterogenität innerhalb des simulierten Betriebs war ein weiterer Treiber der Baumartendiversifikation – über eine höhere biophysikalische Stabilität in Mischbeständen und ökonomische Portfolioeffekte hinaus. Räumliche Korrelationen durch Extremwetterereignisse und endogene Markteffekte beeinflussten die optimale Diversifikationsstrategie. Bottom-up-Entscheidungen führten zu einer hohen lokalen Diversität, während bei Top-down-Entscheidungen eine Diversifikation über die Planungseinheiten hinweg optimal war. Letztere erhöhte den Anpassungserfolg, was darauf hindeutet, dass Bestandesmodelle das ökonomische Anpassungspotential der Baumartendiversifikation auf größeren räumlichen Skalen systematisch unterschätzen.
Die methodischen Innovationen der Dissertation tragen zu einem differenzierteren Verständnis der ökonomischen Konsequenzen von Extremwetterereignissen für Forstbetriebe sowie ökonomische Potentiale und Grenzen der Baumartendiversifikation als Anpassungsstrategie bei. Die Simulationsstudie auf Bestandesebene zeigte das Potential bioökonomischer Portfoliomodelle nicht nur ökonomische Vorteile der Baumartendiversifikation, sondern auch Synergien bei der Kombination verschiedener waldbaulicher Managementoptionen zu berücksichtigen. Methoden der Zeitreihenanalyse, angewandt auf forstbetriebliche Datensätze, sind geeignet, solche Daten für wissenschaftliche Analysen zu erschließen. Insbesondere Impulse-Response-Funktionen erwiesen sich als vielversprechend. Sie ermöglichten es sowohl Marktmechanismen unter Schadereignissen zu untersuchen als auch Eingangsdaten für zukünftige Simulationsmodelle abzuleiten. Das R-Paket woodValuationDE kombiniert bestehende, empirische Bewertungsmodelle und die ökonometrischen Ergebnisse, um sie für zukünftige Anwendungen leicht verfügbar zu machen. Eine Hochskalierung des Portfoliomodells auf die Betriebsebene ermöglichte die Berücksichtigung neuer Mechanismen bezüglich Standortsheterogenität, endogener Markteffekte und räumlicher Korrelationen. Dies ermöglichte die Unterscheidung verschiedener räumlicher Skalen der Entscheidungsfindung und führte zu systematisch anderen Lösungen im Vergleich zu früheren Modellansätzen auf der Bestandesebene. Über Sensitivitätsanalysen hinaus konnten durch Simulationsläufe mit verschiedenen Annahmen zu künftigen Extremwetterereignissen Nachteile statistischer Modelle berücksichtigt und mögliche zukünftige Konsequenzen des Klimawandels auf forstliche Bewirtschaftungsstrategien untersucht werden.
Die Ergebnisse führen zur Schlussfolgerung, dass Baumartendiversifikation Potentiale bietet, negative ökonomische Konsequenzen zunehmender Schadereignisse abzumildern. Die ökonomischen Vorteile könnten jedoch durch zunehmende Investitionsrisiken bei häufigeren Extremwetterereignissen begrenzt oder sogar aufgehoben werden. Für das forstliche Management empfiehlt die Dissertation daher, sich nicht auf Baumartendiversifikation als alleinige Anpassungsstrategie zu verlassen. Eine Schlussfolgerung für die Forstpolitik ist, dass die ökonomischen Vorteile einer Investition in biophysikalisch stabile und diverse Wälder durch steigende Ausfallrisiken in Frage gestellt werden. Die Sensitivitätsanalysen zeigen jedoch, dass eine Förderung der Pflanzkosten Investitionsrisiken der Forstbetriebe mindern könnte, wenn diese in diverse und stabile Wälder mit vielfältigen Ökosystemleistungen für die Gesellschaft investieren. Die Dissertation empfiehlt aus rein ökonomischer Perspektive, die Diversifikation der Baumartenzusammensetzung als Allheilmittel für die Anpassung von Forstbetrieben an den Klimawandel und Extremwetterereignisse kritisch zu hinterfragen. | de |
| dc.description.abstracteng | Increasing biophysical disturbances under climate change have severe impacts on forest ecosystems. Recent large-scale calamities in Central Europe have underlined how extreme weather events challenge our understanding of mechanisms behind forest resistance to disturbances. Large, spatially correlated disturbances also lead to high economic losses for forest enterprises, resulting in a lack of resources for financing reforestation and forest management in general. Tree-species diversification is commonly expected to be a key adaptation strategy for forestry under exacerbating climate-driven risks. This expectation mainly arises from ecological rationales and mechanisms. Bioeconomic models interpreting tree species as assets in a portfolio have been proven helpful to explore economic advantages of tree-species diversification. Results of stand-level simulations suggest that product diversification and a higher biophysical stability in mixed-species stands may also mitigate economic risks. However, the economic advantages of tree-species diversification are still under debate and have not yet been analyzed under unprecedented extreme weather events and at larger spatial scales.
This thesis deals with the overarching hypothesis that tree-species diversity buffers the economic consequences of climate change and extreme weather events for forest enterprises. Three sub-hypotheses structure the analyses:
H1: The economic buffering capacity of tree-species diversity towards climate change is affected by the mix of silvicultural management options applied at the stand level.
H2: The economic buffering capacity of tree-species diversity towards climate change is affected by extreme weather events.
H3: The economic buffering capacity of tree-species diversity towards climate change is affected by the considered spatial scale, from stand to regional scale.
The four scientific articles in the thesis address these hypotheses with a combination of econometric analyses and normative simulation-optimization approaches. Paper 1 integrated alternative silvicultural management options in simulation-optimization models that apply Modern Portfolio Theory to economic tree-species selection. It assessed the economic buffering capacity of combinations of proactive and reactive management options in Norway spruce (Picea abies (L.) H. Karst) forests towards stand-level disturbances. Paper 2 applied advanced econometric time series analyses to operational data sets on harvest volume, salvage harvests, and wood revenues. Impulse Response Functions were applied to disentangle mechanisms behind decreasing wood revenues after disturbances. Integrated into an R package for wood valuation (Paper 3), the econometric results allowed for distinguishing between impacts of extreme weather events as compared to stand-level disturbances on wood revenues. Paper 4 scaled up the stand-level portfolio model to a large forest enterprise with several, spatially explicit planning units. Within this regional-scale model, scenarios of unprecedented extreme weather events resulted in spatial correlations of annuities between the planning units. The optimization accounting for these correlations compared bottom-up and top-down decision-making regarding the selected spatial scale for tree-species diversification and the resulting economic buffering capacity.
The results showed that tree-species diversification outperformed other silvicultural management options at the stand level in terms of mitigating economic risks. The effect on expected economic return and the economic buffering capacity in terms of the risk-averse objective function, Value at Risk, depended on the productivity and revenues of the tree species introduced to spruce forests. The econometric analyses revealed that decreasing spruce revenues after disturbances were predominantly driven by an oversupply to wood markets rather than losses in wood quality. Simulations with extreme-event scenarios at the regional scale indicated that their adverse economic consequences exceeded the buffering capacity of local as well as across-region tree-species diversification. Rather than diversification, we found homogenization of the tree-species composition under extreme weather events. The model focused on stand types with low establishment costs instead of investing in biophysically stable stand types. The enterprise-level model showed that site heterogeneity was an additional driver of tree-species diversification beyond biophysical stability of mixed stands and economic portfolio effects. Spatial correlations related to extreme weather events and endogenous market effects affected optimal diversification strategies. Bottom-up decision-making resulted in a comparatively high local stand-type diversity. Top-down decision-making that accounted for the spatial correlations opted for diversification across the region with higher economic adaptation gains. This suggests that stand-level models systematically underestimate the buffering capacity of tree-species diversification at larger spatial scales.
The methodological innovations in this thesis contributed to a more sophisticated understanding of economic consequences of extreme weather events for forest enterprises and economic potentials and limitations of tree-species diversification as an adaptation strategy. The stand-level study showed the potential of bioeconomic portfolio models to account not only for economic advantages of tree-species diversification, but also for synergies when combining different silvicultural management options. Advanced time series analysis were adopted to make operational data of forest enterprises available for scientific analysis. Particularly Impulse Response Functions were a promising method to study market mechanisms related to disturbance events and to inform future simulation modeling. The R package woodValuationDE compiles existing models and the econometric results and makes them easily available for future applications. Up-scaling the portfolio simulation-optimization model to the enterprise level allowed for integrating novel mechanisms related to site heterogeneity, endogenous market effects, and spatial correlations. These mechanisms combined with top-down decision-making resulted in systematically different solutions as compared to previous stand-level approaches. Scenarios of unprecedented extreme weather events going beyond typical sensitivity analyses allowed for overcoming limitations of studies relying only on statistical models to assess possible future economic consequences of climate change on forestry.
In conclusion, tree-species diversification has the potential to buffer parts of the adverse economic consequences of increasing disturbances. Its economic advantages may, however, be limited or even superimposed by increased investment risks under unprecedented extreme weather events. For forest management, the thesis thus recommends not to rely on tree-species diversification as the one and only adaptation strategy. For forest policy, the findings suggest that the economic benefits of establishing biophysically stable and diverse forests are challenged by exacerbating disturbances. The sensitivity analyses indicate that subsidies for planting costs are promising to mitigate the investment risks of forest enterprises which establish diverse, stable forests that provide multiple ecosystem services to society.
This thesis proposes reconsidering tree-species diversification as a silver bullet for buffering economic consequences of climate change and extreme weather events for forest enterprises. | de |
| dc.contributor.coReferee | Knoke, Thomas Prof. Dr. | |
| dc.contributor.thirdReferee | Griess, Verena Prof. Dr. | |
| dc.subject.eng | Tree-species diversity | de |
| dc.subject.eng | Simulation-optimization model | de |
| dc.subject.eng | Forest management | de |
| dc.subject.eng | Forest planning | de |
| dc.subject.eng | Tree-species selection | de |
| dc.subject.eng | Modern Portfolio Theory | de |
| dc.subject.eng | Forest protection | de |
| dc.subject.eng | Climate change | de |
| dc.subject.eng | Extreme weather events | de |
| dc.subject.eng | Adaptation strategies | de |
| dc.subject.eng | Timber price | de |
| dc.subject.eng | Wood market | de |
| dc.subject.eng | Wood assortments | de |
| dc.subject.eng | Impulse Response Function | de |
| dc.subject.eng | Disturbance economics | de |
| dc.subject.eng | Econometrics | de |
| dc.subject.eng | Time series analysis | de |
| dc.subject.eng | Wood revenues | de |
| dc.subject.eng | Timber valuation | de |
| dc.subject.eng | Harvest costs | de |
| dc.subject.eng | R package | de |
| dc.subject.eng | Calamity | de |
| dc.subject.eng | Economic losses | de |
| dc.subject.eng | Spatial heterogeneity | de |
| dc.subject.eng | Forest enterprise | de |
| dc.subject.eng | Decision making | de |
| dc.subject.eng | Forest economics | de |
| dc.identifier.urn | urn:nbn:de:gbv:7-ediss-15293-4 | |
| dc.affiliation.institute | Fakultät für Forstwissenschaften und Waldökologie | de |
| dc.subject.gokfull | Forstwirtschaft (PPN621305413) | de |
| dc.description.embargoed | 2024-06-19 | de |
| dc.identifier.ppn | 189126026X | |
| dc.identifier.orcid | 0000-0001-5951-7897 | de |
| dc.notes.confirmationsent | Confirmation sent 2024-06-12T08:15:02 | de |