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Quantifying stand structure and structural complexity along a management gradient in temperate forests

dc.contributor.advisorAmmer, Christian Prof. Dr.
dc.contributor.authorStiers, Melissa
dc.date.accessioned2020-10-01T11:44:21Z
dc.date.available2020-10-01T11:44:21Z
dc.date.issued2020-10-01
dc.identifier.urihttp://hdl.handle.net/21.11130/00-1735-0000-0005-149E-3
dc.identifier.urihttp://dx.doi.org/10.53846/goediss-8227
dc.identifier.urihttp://dx.doi.org/10.53846/goediss-8227
dc.language.isodeude
dc.rights.urihttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/
dc.subject.ddc634de
dc.titleQuantifying stand structure and structural complexity along a management gradient in temperate forestsde
dc.typedoctoralThesisde
dc.contributor.refereeAmmer, Christian Prof. Dr.
dc.date.examination2020-08-21
dc.description.abstractgerDie Struktur und die strukturelle Komplexität von Wäldern beeinflussen zahlreiche wichtige Eigenschaften von Waldökosystemen, sowie auch deren Funktionen und Dienstleistungen, wie beispielsweise die Ökosystemstabilität, die Erhaltung der Biodiversität und die Kohlenstoffspeicherung. Die Bewirtschaftung von Wäldern verändert deren räumliche Struktur und übt somit auch einen Einfluss auf viele Leistungen und Funktionen von Waldökosystemen aus. In diesem Zusammenhang wird häufig diskutiert, ob Forstwirtschaft sich vereinfachend oder sogar fördernd auf die strukturelle Komplexität eines Waldbestandes auswirkt. Zur Beantwortung dieser Frage ist es unabdingbar, die Entstehung, die Eigenschaften und die Dynamik der strukturellen Komplexität in Wäldern zu untersuchen. Dazu soll diese Arbeit einen Beitrag leisten, indem verschiedene Aspekte der strukturellen Komplexität von Wäldern mithilfe von detaillierten, dreidimensionalen Laserscanningdaten untersucht werden. Ein Ziel dieser Arbeit bestand darin, die strukturelle Komplexität unterschiedlicher Wälder entlang eines Gradienten der Managementintensität zu quantifizieren, um somit den Einfluss der Bewirtschaftung zu analysieren. In einer ersten Studie wurde dazu die strukturelle Komplexität von traditionell bewirtschafteten Wäldern, alternativen Bewirtschaftungssystemen und stillgelegten Wäldern in deutschen Nationalparken, bis hin zu vollständig unbewirtschafteten Buchen-Urwäldern (Fagus sylvatica L.) der Westkarpaten mithilfe eines Indexes zur Beschreibung der Strukturkomplexität (engl.: stand structural complexity-index, SSCI) quantifiziert. Dabei konnte festgestellt werden, dass die strukturelle Komplexität nicht mit sinkender Managementintensität linear ansteigt, sondern dass Bewirtschaftung die strukturelle Komplexität fördern kann. Es fand sich die geringste strukturelle Komplexität in den stillgelegten Wäldern der Nationalparke, während jüngere Altersklassen traditioneller Bewirtschaftung sich nicht grundsätzlich signifikant von der in einem der Urwälder festgestellten Strukturkomplexität unterscheiden. Des Weiteren ließen sich Unterschiede in der strukturellen Komplexität zwischen verschiedenen Waldentwicklungsphasen ausweisen. Während die Strukturkomplexität in den so genannten „Buchen-Hallenwäldern“, einschichtigen Beständen der Optimalphase, minimal ist, wird sie durch einen mehrschichtigen Aufbau, wie beispielsweise in jüngeren Bestandesentwicklungsphasen durch den Erhalt von Überhältern erhöht. Da das Aufkommen von natürlicher Verjüngung für die Etablierung mehrerer Bestandessschichten und somit für den zukünftigen, strukturellen Aufbau eines Bestandes entscheidend ist, lag der Fokus in einer zweiten Studie (Kapitel 3) auf der Analyse der strukturellen Komplexität von Buchen-Naturverjüngung und der Identifizierung räumlicher Verteilungsmuster in und von Verjüngungskegeln in Abhängigkeit verschiedener Eigenschaften der Kronenlücken. Ein besseres Verständnis solch räumlicher Zusammenhänge zwischen Kronenlücken und dem Aufkommen und der Verteilung natürlicher Verjüngung ist nützlich, um deren Zusammensetzung und Entwicklung zu kontrollieren und zu steuern. Es wurde ein signifikant positiver Zusammenhang zwischen der Größe einer Kronenlücke und der Größe eines Verjüngungskegels in Buchenwäldern festgestellt. Es fand sich jedoch kein einheitlicher, signifikanter Versatz des Kegelzentrums zum projizierten Kronenlückenzentrum für natürliche Verjüngung der Buche, wie es in der Literatur für andere, meist lichtliebende Baumarten der Fall war. Darüber hinaus konnte nachgewiesen werden, dass die Höhe der Buchen-Verjüngungspflanzen von Positionen innerhalb des projizierten Lückenpolygons bis in den umliegenden Bestand kontinuierlich abnimmt. Die größten Pflanzen befanden sich dabei allerdings nicht im Lückenzentrum, sondern in den Übergangsbereichen zum angrenzenden, geschlossenen Bestand. Weiterhin wurde gezeigt, dass Buchen-Naturverjüngung auch außerhalb des projizierten Lückenpolygons vom Anstieg des diffusen Lichtes profitiert und das Aufkommen von Verjüngung somit auch in der penumbralen Zone gefördert wird. Insgesamt bestätigten die Ergebnisse erneut die hohe Schattentoleranz der Buche und lassen somit die Schlussfolgerung zu, dass der Effekt des Anstiegs der direkten und diffusen Lichtverfügbarkeit durch andere Faktoren, wie beispielsweise der Konkurrenz zu Altbäumen beeinträchtigt wird. Ein weiteres Ziel dieser Arbeit war es, Managementsysteme und -maßnahmen zu identifizieren, die zu einer Erhöhung der strukturellen Komplexität führen können. In einer dritten Studie (Kapitel 4) lag der Fokus deshalb auf der Quantifizierung der strukturellen Komplexität von Wäldern, die bereits mehrere Jahrzehnte nach den Vorgaben der Dauerwaldwirtschaft bewirtschaftet wurden und deren Vergleich mit traditionellen Altersklassenwäldern und unbewirtschafteten Buchen-Urwäldern. Die Dauerwaldwirtschaft ist von besonderem Interesse, da sie einen Zielzustand anstrebt, der mehrschichtige, hochstrukturierte Wälder vorsieht, die sowohl wirtschaftliche, als auch gesellschaftliche und ökologische Ansprüche gleichermaßen erfüllen. Um diesen Zielzustand objektiv zu quantifizieren und so vergleichbar zu machen, wurde neben der Berechnung bereits bekannter Indices zur Beschreibung der räumlichen Waldstruktur ein neues skaliertes Maß (engl.: index for structural constancy, ISC) entwickelt, welches den aktuellen Zustand eines Waldes hinsichtlich seiner Struktur und strukturellen Komplexität mit einem hypothetischen Idealzustand vergleicht. Der neue ISC war auf diese Weise in der Lage Dauerwälder signifikant von Altersklassenwäldern zu unterscheiden. Es fand sich jedoch kein signifikanter Unterschied zu den Buchen-Urwäldern als natürliche Referenz. Insgesamt konnte geschlussfolgert werden, dass die Dauerwaldwirtschaft in der Lage ist, strukturell hoch komplexe Bestände zu erzeugen. Anhand der Ergebnisse der vorliegenden drei Studien wurden abschließend Managementempfehlungen abgeleitet, die es ermöglichen sollen, strukturelle Komplexität in Wäldern zu fördern. Um ein hohes Maß an vertikaler und horizontaler Heterogenität zu generieren und unterschiedliche Wuchsbedingungen zu schaffen, sollten Managementmethoden gewählt werden, die Kronenlücken in verschiedenen Größen und Formen erzeugen. Zur Förderung der strukturellen Komplexität nicht nur auf Bestandes- sondern auch auf regionaler Ebene, sollte auch die strukturelle Heterogenität zwischen benachbarten Beständen erhöht werden. Während sowohl eine Stilllegung, als auch eine Intensivierung der Bewirtschaftung nicht zu einer schnellen Erhöhung der strukturellen Komplexität führt, konnte zunächst festgestellt werden, dass traditionelle Bewirtschaftung in der Lage ist, Phasen geringer struktureller Komplexität zu durchbrechen und die Strukturkomplexität so zu fördern. Darüber hinaus lassen die Ergebnisse dieser Arbeit den Schluss zu, dass insbesondere die naturnahe Waldbewirtschaftung nach den Prinzipien der Dauerwaldwirtschaft geeignet ist, zukunftsfähige Wälder mit einem hohen Maß an Multifunktionalität und struktureller Komplexität zu erzeugen. Wir kommen daher zu dem Schluss, dass Waldbewirtschaftung nicht zwangsläufig eine Simplifizierung der strukturellen Komplexität und damit verbunden eine Reduzierung der Ökosystemleistungen bewirkt, sondern dass gezielte Bewirtschaftungsweisen die Strukturkomplexität steigern und somit auch die damit verbundenen Eigenschaften des Waldökosystems fördern können.de
dc.description.abstractengThe structure and structural complexity of forests influence many important characteristics of forest ecosystems, as well as their functions and services, such as ecosystem stability, maintenance of biodiversity and carbon storage. Forest management affects the spatial structures of forests and thus has an impact on many of these services and functions offered by forest ecosystems. In this context, it is often discussed whether forest management has a reducing or promoting effect on the structural complexity of a forest stand. In order to answer this question, it is essential to gain a better understanding of the development, properties and dynamics of structural complexity in forests. This doctoral thesis will contribute to this by studying different aspects of structural complexity in forests using highly detailed, three-dimensional terrestrial laser scanning data. The first aim of this thesis was to quantify the structural complexity of forests along a gradient of management intensity in order to analyze the effects of forest management. In a first study (chapter 2), the structural complexity of traditionally and alternatively managed forests, lately unmanaged forests in German National Parks, and completely unmanaged primary forests of European beech (Fagus sylvatica L.) in the Western Carpathians was quantified using a stand structural complexity index (SSCI). It was found that structural complexity does not increase linearly with decreasing management intensity but that management can promote structural complexity. The lowest structural complexity was found in the lately unmanaged National Parks, while stands of younger developmental phases of traditional management do not differ significantly from the structural complexity found in one of the primary forests. Furthermore, differences in structural complexity could be identified between different phases of forest development. While the structural complexity in so-called “vault-like” forests, single-layered stands in the optimum phase, is minimal, it is increased by the multi-layered structures in, for example, thickets with overstory trees. The emergence of natural regeneration is decisive for the establishment of multiple stand layers and thus for the future structural development of a forest stand. Therefore, a second study (chapter 3) focused on the analysis of the structural complexity of natural regeneration of European beech and the identification of spatial distribution patterns of regeneration patches in dependence of canopy gap characteristics. Unravelling the mechanisms behind such spatial top-down-relationships between canopy gaps and natural regeneration is helpful to control and manage the regeneration’s composition and development. A significant positive relationship between gap size and the size of a regeneration patch was found in beech forests. However, no homogeneous, significant offset between the centers of the regeneration patch and the projected gap polygon could be identified, as was the case in literature for the regeneration of other, mostly light-demanding tree species. Furthermore, it could be shown that the mean regeneration height continuously decreases from positions within the projected gap polygon to positions under closed canopy in the adjacent stand. However, the largest plants were not located directly in the center of the gap polygon, but at the outer edges of the projected gap polygon. Furthermore, it was determined that natural regeneration of beech benefits from the higher amount of diffuse radiation outside the gap polygon, which is why it can be concluded that the emergence of natural regeneration is also promoted in the penumbral zone. Overall, these results once again confirmed the high shade-tolerance of beech. Therefore, we conclude that the effect of higher availability of direct or diffuse radiation in and around canopy gaps may be overruled by other factors, such as competition with mature trees. This thesis also aimed at identifying management systems that can lead to an increase in stand structural complexity. In a third study (chapter 4), the focus was therefore on quantifying the structural complexity of forests, which have been managed according to the guidelines of continuous cover forestry for several decades. We compared their structure with that of traditional age-class forests and completely unmanaged primary beech forests. Continuous cover forestry is of particular interest because it aims at a target state, which includes multi-layered, highly-structured forests, which fulfill both economic and social demands. In order to objectively quantify the structures of this target state, a new index for structural constancy (ISC) was developed. In addition, already established indices for the description of the spatial forest structure were calculated. The new ISC was able to distinguish continuous cover forests and even-aged age-class forests. However, we were not able to detect a significant difference between the continuous cover forests and the primary beech forests as natural reference. Overall, it could therefore be concluded that continuous cover forestry is capable of creating forest stands of high structural complexity. Finally, based on the results of the three studies presented here, we derived management recommendations, which intend to enable forest managers to promote structural complexity in forests. In order to generate a high degree of vertical and horizontal heterogeneity, management methods should be chosen that create differently sized and shaped canopy gaps to diversify growth conditions. To promote structural complexity not only at stand level, but also at larger, regional scale, structural heterogeneity between neighboring stands should also be increased. While both ceasing and intensifying forest management do not lead to a rapid increase in structural complexity, it was first noted that traditional forest management is capable of disrupting phases of low structural complexity during stand development and thus promoting structural complexity. Furthermore, the results of this thesis allow the conclusion that continuous cover forestry according to the principles of close-to-nature forest management is particularly suitable to produce sustainable forests with a high degree of multifunctionality and a stand structural complexity similar to primary forests. We therefore conclude that forest management does not necessarily lead to a simplification of the structural complexity, but that specific management systems and methods can increase structural complexity and thus also enhance the associated properties of the forest ecosystem.de
dc.contributor.coRefereeKreft, Holger Prof. Dr.
dc.subject.engterrestrial laser scanningde
dc.subject.engstand structural complexityde
dc.subject.engFagus sylvaticade
dc.subject.engManagement intensityde
dc.subject.engprimary forestsde
dc.identifier.urnurn:nbn:de:gbv:7-21.11130/00-1735-0000-0005-149E-3-4
dc.affiliation.instituteFakultät für Forstwissenschaften und Waldökologiede
dc.subject.gokfullForstwirtschaft (PPN621305413)de
dc.identifier.ppn1734478004


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