Influence of intra- and interspecific competition on timber quality of European beech

by Kirsten Höwler
Doctoral thesis
Date of Examination:2020-09-10
Date of issue:2021-01-21
Advisor:Prof. Dr. Christian Ammer
Referee:Prof. Dr. Christian Ammer
Referee:Prof. Dr. Holger Militz
Persistent Address: http://dx.doi.org/10.53846/goediss-8354

 

 

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Abstract

English

The timber quality of a single tree is considerably influenced by interactions with other individual trees. These competitive effects from neighbouring trees may be regulated through silvicultural treatments. Consequently, the competition a tree faces until the day of harvest is a strong driver for timber quality. This turns the regulation of competition into an integral part of silviculture. However, not only competition intensity determines quality. The species identity of neighbouring trees and forest mixture type can also influence quality related stem attributes such as branchiness or tree shape. Against the background of a forest management that is close to nature and adapted to climate change, the share of mixed forests and of deciduous trees has increased in the recent past and will continue to increase in the future. Therefore, it becomes important to understand the effects of different tree species mixtures and interactions on the quality of trees. Although mixed forest stands have been extensively investigated, research mostly focused on tree growth and productivity, or resistance and resilience under changing and uncertain climate conditions, but rather less on the effects of tree species mixing on timber quality. It is still unclear whether the numerous positive effects of mixed forests come at the expense of timber quality. Currently, pure coniferous forests are converted into mixed and deciduous forests and this will eventually lead to a changed availability of hardwood and softwood. Thus, deciduous timber will have to be used more intensely in the future. However, for that, information on deciduous timber quality in mixed forest stands is needed. In-situ measurements of timber quality have the potential to improve the economic yield of a stand, the sustainable utilisation of timber and timber products, and can further contribute to an optimal harvesting time. However, precise information on timber quality of deciduous trees, especially of standing trees, has often been lacking so far. In addition, measurements of quality attributes or the competitive situations of a tree have so far required high measuring efforts that were affected by significant errors in higher log sections. Through terrestrial laser scanning (TLS) it became possible to obtain a virtual three-dimensional (3D) representation of a tree and its direct neighbours. This enables a quantitative assessment of quality-related external stem characteristics of a tree in dependence of its neighbourhood. This thesis therefore aims to provide a quantification of both external and internal timber quality characteristics (e.g., bumps, branches, knots, discoloration) in order to investigate to what extent intra- and interspecific competitive situations affect these quality characteristics of European beech (Fagus sylvatica L.). Three different approaches were applied to analyse the effects of competition intensity and tree species identity of neighbouring trees on timber quality of 125 target European beech trees: TLS, a quality assessment on the standing tree by the local district foresters, and a quality assessment of the sawn timber (boards) after harvesting. In addition, the suitability of TLS for a quantitative assessment of external quality characteristics was examined. The relationship between external and internal quality characteristics was investigated by comparing the different approaches of quality assessment. Photographs of the sawn boards were used for a quantitative measurement of discolouration surface and knot surface as indicators of timber quality using the software Datinf® Measure. The external stem quality of European beech was significantly influenced by the degree of competition intensity. More precisely, two TLS-based measures of external stem quality that were newly developed in this work were influenced by the intensity of competition: With increasing competition intensity, the number of bark anomalies (BA) and stem non-circularity (SNC) decreased. Hence, external stem quality of European beech can be measured non-destructively, objectively, and quantitatively applying TLS. This makes TLS a valuable addition to a visual in-situ timber quality assessment. Furthermore, the externally visible quality features measured using TLS correlated to the internal timber quality. Similarly, the quality assessment of the local district foresters also correlated with the internal timber quality. Thus, external quality features help to predict the internal timber quality. This was exemplified, among other things, by the fact that it is possible to predict discoloration by the number of bark anomalies on the stem surface. Internal timber quality was also related to the competitive situation, with increasing competition improving internal timber quality. In pure beech stands, a tendency towards better quality with lower knot surfaces was observed compared to mixed stands of beech and spruce (Picea abies (L.) H. Karst.). In addition, a decrease in knot surface was found with increasing distance to the pith and lower values in the lower stem sections. These results suggest that the regulation of competitive levels through silvicultural treatments can improve timber quality and thus confirm empirical findings that indicate a positive relationship between competition intensity and timber quality. Although single effects of neighbourhood species identity could be identified, the overall species effect on timber quality was lower than the competitive effect resulting from size and distance of neighbouring trees. Lastly, this study provides a new methodology to assess external timber quality measures in the field objectively and non-destructively.
Keywords: competition intensity; Fagus sylvatica L.; mixed species forests; quality assessment; terrestrial laser scanning; timber quality

German

Die Holzqualität jedes Baumes wird durch die Wechselwirkungen mit anderen Bäumen erheblich beeinflusst. Diese Konkurrenzeffekte durch benachbarte Bäume können durch waldbauliche Maßnahmen reguliert werden. Folglich ist die Intensität der Konkurrenz, der ein Baum bis zum Tag der Ernte ausgesetzt ist, ein bedeutender Treiber für die Holzqualität. Dadurch wird die Regulierung der Konkurrenz zu einem wesentlichen Bestandteil des Waldbaus. Doch nicht nur die Konkurrenzintensität bestimmt die Qualität. Auch die Artidentität benachbarter Bäume und Mischungen von Baumarten können qualitätsrelevante Stammmerkmale wie z.B. die Astigkeit oder die Stammform beeinflussen. Vor dem Hintergrund einer naturnahen und an den Klimawandel angepassten Waldbewirtschaftung hat der Anteil der Mischwälder und der Laubbäume in der jüngsten Vergangenheit zugenommen und wird auch in Zukunft weiter zunehmen. Daher wird es wichtig, die Auswirkungen verschiedener Baumartenmischungen und Wechselwirkungen auf die Qualität der Bäume zu verstehen. Obwohl Mischwaldbestände umfassend untersucht wurden, konzentrierte sich die Forschung hauptsächlich auf das Wachstum und die Produktivität der Bäume oder die Widerstandsfähigkeit unter wechselnden und unsicheren Klimabedingungen, aber weniger auf die Auswirkungen der Baumartenmischung auf die Holzqualität. Insbesondere ist noch unklar, ob die zahlreichen positiven Auswirkungen von Mischwäldern mit einer Verschlechterung der Holzqualität einhergehen. Gegenwärtig werden reine Nadelwälder in Misch- und Laubwälder umgewandelt, und dies wird langfristig zu einer veränderten Verfügbarkeit von Laub- und Nadelholzanteilen führen. Daher wird Laubholz in Zukunft intensiver genutzt werden müssen. Dazu werden jedoch Informationen über die Laubholzqualität in Mischwaldbeständen benötigt. In-situ-Messungen der Holzqualität haben das Potenzial, den wirtschaftlichen Ertrag eines Bestandes und die nachhaltige Nutzung von Holz und Holzprodukten zu verbessern und können darüber hinaus zur Optimierung des Einschlagszeitpunktes beitragen. Bislang fehlen jedoch oft genaue Informationen über die Holzqualität von Laubbäumen, insbesondere von stehenden Bäumen. Zudem erforderte die Messung von Qualitätsmerkmalen oder der Konkurrenzsituation eines Baumes bisher einen hohen Messaufwand, der in höheren Stammabschnitten zudem durch erhebliche Fehler beeinträchtigt war. Durch terrestrisches Laserscanning (TLS) wurde es möglich, ein virtuelles dreidimensionales Modell eines Baumes und seiner direkten Nachbarn zu erhalten. Dies wiederum eröffnet die Möglichkeit, qualitätsrelevante äußerer Stammeigenschaften eines einzelnen Baumes in Abhängigkeit von seiner Nachbarschaft quantitativ zu erfassen und zu beurteilen. Ziel dieser Arbeit war es daher, sowohl äußere als auch innere Holzqualitätsmerkmale quantitativ zu erfassen, um zu untersuchen, inwieweit sich intra- und interspezifische Konkurrenzsituationen auf diese Qualitätsmerkmale der Buche (Fagus sylvatica L.) auswirken. Zur Analyse der Auswirkungen von Konkurrenzintensität und Artidentität der Nachbarbäume auf die Holzqualität von 125 Untersuchungsbäumen der europäischen Buche wurden drei verschiedene Ansätze angewandt: TLS, eine Qualitätsbeurteilung am stehenden Stamm durch die örtlichen Revierförster und eine Qualitätsbeurteilung des Schnittholzes (Bretter) nach dem Einschlag. Darüber hinaus wurde die Eignung von TLS für eine quantitative Bewertung der äußeren Qualitätsmerkmale untersucht. Der Zusammenhang zwischen äußeren und inneren Qualitätsmerkmalen wurde über den Vergleich der verschiedenen Ansätze zur Qualitätsbeurteilung untersucht. Fotos der gesägten Bretter wurden für eine quantitative Messung der Astfläche und der Verfärbungsfläche als Indikatoren für die Holzqualität mit der Software Datinf® Measure verwendet. Die äußere Stammqualität der europäischen Buche wurde wesentlich durch den Grad der Konkurrenzintensität beeinflusst. So wurden zwei im Rahmen dieser Arbeit neu entwickelte TLS-basierte Maße der äußeren Stammqualität durch die Konkurrenzintensität beeinflusst: Mit zunehmender Konkurrenzintensität nahmen die Anzahl der Rindenanomalien pro Meter und die Stammunrundheit ab. Somit können Merkmale der äußeren Stammqualität der europäischen Buche zerstörungsfrei, objektiv und quantitativ mit TLS gemessen werden. Damit stellt TLS eine wertvolle Ergänzung zu einer in-situ Erfassung der Holzqualität dar. Darüber hinaus korrelierten die mit TLS gemessenen äußerlich sichtbaren Qualitätsmerkmale mit der inneren Holzqualität. Gleichermaßen korrelierte auch die Qualitätsbeurteilung der lokalen Revierförster mit der inneren Holzqualität. Somit ermöglichen äußere Qualitätsmerkmale eine Vorhersage der inneren Holzqualität. Dies wurde unter anderem durch die Möglichkeit der Vorhersage von Verfärbungen durch die Anzahl von Rindenanomalien auf der Stammoberfläche verdeutlicht. Auch die innere Holzqualität stand im Zusammenhang mit der Konkurrenzsituation, wobei ein zunehmender Konkurrenzdruck zu einer besseren inneren Holzqualität führte. In Buchenreinbeständen wurde im Vergleich zu Mischbeständen aus Buche mit Fichte (Picea abies (L.) H. Karst.) eine tendenziell bessere Holzqualität mit kleineren Astflächen gemessen. Zusätzlich nahm die Astfläche mit zunehmendem Abstand zur Markröhre ab und in den unteren Stammabschnitten wurden kleine Werte ermittelt. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass eine Regulierung des Konkurrenzdrucks durch waldbauliche Maßnahmen zu einer Verbesserung der Holzqualität führen kann und bestätigen empirische Befunde, die auf einen positiven Zusammenhang zwischen Konkurrenzintensität und Holzqualität hinweisen. Obwohl einzelne Effekte verschiedener Nachbarschaft-Artidentitäten identifiziert werden konnten, war dieser Effekt insgesamt geringer als der Konkurrenzeffekt, der sich aus Größe und Abstand benachbarter Bäume ergibt. Schließlich bietet diese Studie eine neue Methodik zur objektiven und zerstörungsfreien Erfassung und Bewertung der äußeren Stammqualität.
 
Statistik