Projecting the carbon sink of managed forests based on standard forestry data

Wutzler, Thomas GND

Managed forests act as sinks or sources of atmospheric carbon by temporarily sequestering carbon in standing biomass, dead wood, organic layer, mineral soil, and wood products. Accounting of this carbon sink and managing forests with the aim of increasing the carbon sink need projections of the development of the sink with different management options. This thesis developed a methodology to simulate the carbon sink of individual managed forest stands using standard forestry data sources as they are available for many forested regions in Europe. As a test case area the German federal state Thuringia was taken in accordance with several other forest carbon projects. The presented methodology extends an empirical multi-species stand growth model with carbon quantification and couples this model to the Yasso soil carbon model, which was extended to handle multiple species and cohorts. The coupled model also includes newly developed component models of forest management, and of carbon in wood products. The calculation and analysis of current carbon stocks in tree biomass, organic layer and mineral soil was based on established methods. Projecting the development of the carbon stocks, however, required further research on biomass equations for the tree compartments branches, foliage and root. The biggest challenge was to estimate the initial pool sizes of the soil carbon model that strongly depend on site history. One part of the solution was the introduction of the relaxed equilibrium assumption, which assumes that all pools are near equilibrium unless the pool with the slowest turnover. This assumption allowed to infer initial states by average past soil carbon inputs and by an estimate of current soil carbon stocks. A second part of the solution was to model average soil carbon inputs of the former century by using a combination of yield tables and the stand growth model. In addition to the prediction of mean carbon stocks and their changes I focused on their uncertainties and error propagation on upscaling. I found that the precision of tree biomass carbon stocks is strongly overestimated if site quality and correlations between tree biomass at similar site conditions are not carefully accounted for. Litter inputs to the soil and hence also soil carbon stocks strongly vary with lifetime of foliage and branches, which vary with site conditions. Additionally, if a soil carbon pool with very long turnover time is considered, the long term dynamics of the soil carbon sink is determined by the site history. I conclude that differences in site quality and site history must be adequately accounted for to avoid bias in the estimate of the carbon sink at forest district scale. The developed methodology made it possible to simulate the carbon sink of each individual stand of entire forest areas. A comparison of the model application to the Hummelshein forest district in Central Germany with a stratified approach showed that multi-cohort and multi-species stand properties have a high impact on carbon dynamics at stand scale but that they are levelled off at forest district scale. The presented methodology is a move towards factoring out natural and anthropogenic effects on the forest carbon sink. Next steps in the development of the approach are a better representation of environmental conditions in the stand growth component model and a more formal specification of changes in forestry management.

Die Modellierung der Kohlenstoffdynamik in bewirtschafteten Forsten und deren Beeinflussung durch verschiedene Bewirtschaftungsoptionen ist das Anliegen dieser Doktorarbeit. Diese Modellierung wird benötigt um auch den Aspekt der Kohlenstoffspeicherung in Entscheidungen über verschiedene Bewirtschaftungsmaßnahmen zu berücksichtigen. Weiterhin ist die Modellierung ein viel versprechender Weg, um zwischen natürlichen und direkten anthropogenen Ursachen einer Kohlenstoffsenke oder Quelle zu unterscheiden, wie es von den Good Practicse Guidance Tier 3 vorgeschlagen ist (2003). In dieser Arbeit werden methodische Entwicklungen vorgestellt, mit der die Kohlen-stoffdynamik in der Baumbiomasse, im Totholz, in der organischen Auflage, im Mineralboden und in Holzprodukten mit standardmäßig erhobenen Forstdaten simuliert werden kann. Als beispielhaftes Untersuchungsgebiet wurden die Forsten des Bundeslandes Thüringen ausgewählt, da diese Region bereits in einigen Vorläuferprojekten zur Umsetzung des Kyotoprotokolls (Wirth et al. 2004, Mund et al. 2005) und zur Erfassung von Kohlenstoffvorräten (Baritz 2005) ausführlich untersucht wurde. Der größte Teil der 540.000 ha Forstfläche befindet sich auf den sauren Gesteinen des Thüringischen Schiefergebirges und des Thüringer Waldes und auf den Kalkstein-dominierten Flächen an den Rändern des Thüringer Beckens im Übergangsbereich vom maritimen zum kontinentalen Klima. Die dominierenden Baumarten der natürlichen Vegetation sind Fichte (Picea abies) in den höheren Lagen (500-980m), Buche (Fagus sylvatica) in den tieferen Lagen mit ausreichend Niederschlag, sowie Kiefer (Pinus sylvestris) und Eiche (Quercus spec) in den trockeneren Gebieten (Ozenda and Borel 2000). Teile der Flächen wurde vor allem im 13. Jahrhundert und einige Teile bis ins 20. Jahrhundert hinein landwirtschaftlich genutzt und auch ein Großteil der Böden der durchgängig als Wald genutzten Flächen wurde durch Waldweide und Streunutzung degradiert. Seit 1800 bevorzugte eine reguläre Forstwirtschaft vor allem Nadelhölzer, so dass ab der zweiten Hälfte des 20 Jahrhundert auf 70% der Fläche Nadelhölzer, vor allem Fichtenreinbestände wuchsen. Während sich die Forstwirtschaft früher vor allem an Ertrags-tafeln für Reinbestände orientierte, fördert sie heute gemischte mehrschichtige natürlichere Bestände. Die Ergebnisse der Arbeit sind in dem Modell TreeGrOSS-C zusammengefasst, welches vier Teilmodelle koppelt: ein Bestandeswachstumsmodell, ein Bewirtschaftungsmodell, ein Modell der Kohlenstoffdynamik in Totholz, organischer Auflage und Boden und ein Modell der Kohlenstoffdynamik in Holzprodukten. Als Bestandeswachstumsmodell wurde das empirische Modell TreeGrOSS (Nagel 2003) ausgewählt, welches das Durchmesser- und Höhenwachstum von Einzelbäumen in gemischten Beständen simuliert. Es wurde um das Konzept von Kohorten, d.h. Gruppen ähnlicher Bäume, Forstinventurmodulen, und Modulen zur Berechnung von Kohlenstoff-Vorräten und Kohlenstoff-Umsätzen erweitert. Das erweiterte Modell wurde anhand von forstlichen Dauerversuchsflächen in Thürigen validiert. Als Ausgangspunkt für die Beschreibung der Kohlenstoffvorräte in Totholz, organischer Auflage und Mineralboden wurde das Modell YASSO (Liski et al. 2005) ausgewählt und so erweitert, dass es den Streueintrag gemischter Bestände simulieren konnte. Für die Beschreibung der Bewirtschaftung wurde ein ertragstafel-basiertes Modell entwickelt, und für die Holzprodukte wurde ein Modell entwickelt, welches auf Studien der Menge und der Lebensdauer von Holzprodukten in Thüringen beruht (Mund et al. 2005, Profft et al. 2007).

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Wutzler, Thomas: Projecting the carbon sink of managed forests based on standard forestry data. 2008.

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