Analysing the consequences of forest management and climate change on tropical forest dynamics using empirical data and model simulations

Analysen der Folgen von Forstmanagement und Klimawandel auf die Tropenwalddynamik mittels empirischer Daten und Modellsimulationen

Please always quote using this URN: urn:nbn:de:bvb:29-opus4-159499
  • Tropical forest play an important role in the global earth system. However, impacts due to cli-mate and land use changes can alter the functions of forests, causing threats to diverse ecosys-tem functions. Among the risks on ecosystem functions are, for example, reductions in carbon sequestration, declines in resource supply, and losses of biological diversity. Estimating, i.e., projecting, the impacts of global change on such forests is presently a key issue. Capabilities for improved projection are important in respect to the future climate and land use changes. This involves extrapolation in space and time, both of which are scientifically challenging. Such knowledge would greatly supportTropical forest play an important role in the global earth system. However, impacts due to cli-mate and land use changes can alter the functions of forests, causing threats to diverse ecosys-tem functions. Among the risks on ecosystem functions are, for example, reductions in carbon sequestration, declines in resource supply, and losses of biological diversity. Estimating, i.e., projecting, the impacts of global change on such forests is presently a key issue. Capabilities for improved projection are important in respect to the future climate and land use changes. This involves extrapolation in space and time, both of which are scientifically challenging. Such knowledge would greatly support the decision-making process, e.g., to identify management strategies for risk mitigation. The objective of this doctoral thesis is to analyse and to quantify the response of forest dynam-ics and forest structure to selective logging and disturbances (including climate change) in tropi-cal forests of French Guiana (South America) and Ethiopia (Africa). For the investigations, the main tool is FORMIND, an individual- and process-based forest gap model. The doctoral thesis consists of four consecutive studies, which complement each other in addressing different as-pects of the complex topic. In a first study (Chapter 2), the impacts of climate change in a tropical mountain forest in Ethi-opia were investigated. The forest model FORMIX3 (the predecessor of FORMIND) was applied to identify the influence of precipitation variability on forest stand structure, species composi-tion, and biomass production. We parameterised the model using field observational data, in-cluding for the first time a tree ring chronology of Croton macrostachyus. The simulation results showed that the model accurately reproduces aboveground biomass productivity under current precipitation conditions. Variations in precipitation caused shifts aboveground biomass dynam-ics and tree species composition. Both biomass and species richness increased with annual pre-cipitation, with the effects stabilising over time. The results underline the effects of the duration and frequency of periods of stress periods due to water limitation on forest structure and growth. A second study (Chapter 3), focused on the effects of forest management on the dynamics and structure of the humid tropical lowland forests in French Guiana. We applied the management module of FORMIND and analysed simulation experiments for undisturbed forest growth and selective logging. The effects of different logging intensities on the dynamics of several forest attributes (biomass, gross primary production, leaf area index, Shannon diversity, timber vol-ume), as well as the recovery times of those forest attributes were analysed. It turned out that the forest model can reflect both the succession of mature forests and the succession after logging events. In addition, it became clear how strongly management with higher logging intensities influence the forest in the long term: the mean recovery times of the investigated ecosystem functions were significantly extended. With very intensive logging, the average recovery time of forest biomass was almost twice if in a moderate simulation scenario. Similar patterns were ob-served for other ecosystem functions, e.g., timber volume. Additionally, the functional composi-tion shifted, as in particular up to 30 % pioneer tree species invaded the forest. In a third study (Chapter 4), the effects of forest management under climate change were ex-amined based on the case study of French Guiana. I simulated natural forest dynamics under current climate conditions and compared the model outputs with scenarios of selective logging under climate change. The analyses revealed how strongly forest dynamics alter under different scenarios of climate change compared to the baseline scenario of current climate conditions. Repeated logging within recovery times led to a decrease of forest attributes including biomass and timber harvest irrespective of the intensity of climate change. With moderate climate change (RCP 2.6) the average biomass remained constant over a long term. However, with intensive climate change (RCP 8.5), the average biomass was reduced by 12 % and the averaged timber harvest almost halved regardless of the applied logging rotation cycle. Through combination of logging and climate change, the likelihood of changes in forest dynamics increased, driven mainly by rising temperatures. Finally, the study outlined in Chapter 5 focused on the effects of altered tree mortality caused by different disturbance regimes on the dynamics of tropical forests in French Guiana. By simu-lating increased tree mortality rates with the forest model, it was possible to investigate their in-fluence on several forest attributes. The findings demonstrated that severe disturbances altered the succession pattern of the forests in favour of fast-growing species, which changed gross primary production, but net primary production remained stable. By combining leaf area index and forest height we obtained relationships that allow an estimation of the biomass mortality. Based on these relationships and remote sensing data, we mapped the biomass mortality for whole French Guiana. We found a nation-wide biomass mortality of 3 % per year (standard de-viation = 1.4 % per year). The insights gained provide a novel methodology for quantifying the spatial-temporal distribution of biomass loss, which has recently been identified as particularly critical for monitoring mortality hotspots. Quantifying biomass mortality rates may help reducing uncertainties in the terrestrial component of the global carbon cycle. To sum up, simulations with forest models at tree level have the potential to explore forest dy-namics from local to regional levels. They also offer the opportunity to simulate and explore both forest management and climate change. An application-oriented use of forest models will help to identify the risk of unwanted ecosystem responses in a changing environment. To ensure that ecosystem functions like timber supply and carbon sequestration in living biomass are main-tained under climate change conditions, an approach based on forest modelling can contribute to the development of appropriate forest management strategies, e.g., in the sense of REDD+ and certification programmes for sustainable timber production such as FSC and PEFC.show moreshow less
  • Tropenwälder spielen eine wichtige Rolle im System der Erde. Auswirkungen aufgrund von Klima- und Landnutzungsänderungen können jedoch die Funktionen der Wälder verändern und dadurch diverse Ökosystemfunktionen beeinträchtigen. Zu den Risiken für Ökosystemfunktio-nen gehören z.B. die Verringerung der Kohlenstoffbindung, der Rückgang des Ressourcenange-bots und der Verlust der biologischen Vielfalt. Abschätzung, d.h. Projektion, der Auswirkungen des globalen Wandels auf solche Wälder ist derzeit ein zentrales Thema. Fähigkeiten für eine verbesserte Projektion sind wichtig im Hinblick auf die zukünftigen Klima- und Landnutzungs-änderungen. Dazu gehören räumliche und zeitliche Extrapolationen,Tropenwälder spielen eine wichtige Rolle im System der Erde. Auswirkungen aufgrund von Klima- und Landnutzungsänderungen können jedoch die Funktionen der Wälder verändern und dadurch diverse Ökosystemfunktionen beeinträchtigen. Zu den Risiken für Ökosystemfunktio-nen gehören z.B. die Verringerung der Kohlenstoffbindung, der Rückgang des Ressourcenange-bots und der Verlust der biologischen Vielfalt. Abschätzung, d.h. Projektion, der Auswirkungen des globalen Wandels auf solche Wälder ist derzeit ein zentrales Thema. Fähigkeiten für eine verbesserte Projektion sind wichtig im Hinblick auf die zukünftigen Klima- und Landnutzungs-änderungen. Dazu gehören räumliche und zeitliche Extrapolationen, die beide wissenschaftlich anspruchsvoll sind. Derartige Kenntnisse würden den Entscheidungsfindungsprozess, z.B. bei der Ermittlung von Managementstrategien zur Risikominderung, sehr unterstützen. Das Ziel dieser Doktorarbeit ist es, die Reaktion der Walddynamik und Waldstruktur auf selek-tiven Holzeinschlag und Störungen (einschließlich des Klimawandels) in den Tropenwäldern von Französisch-Guayana (Südamerika) und Äthiopien (Afrika) zu analysieren und zu quantifi-zieren. Wichtigstes Instrument für die Untersuchungen ist FORMIND, ein individuen- und pro-zessbasiertes Waldmodell. Die Doktorarbeit besteht aus vier aufeinanderfolgenden Studien, die sich in der Auseinandersetzung mit verschiedenen Aspekten dieses komplexen Themas ergän-zen. In einer ersten Studie (Kapitel 2) wurden die Auswirkungen des Klimawandels in einem tropi-schen Bergwald in Äthiopien untersucht. Das Waldmodell FORMIX3 (Vorgänger von FOR-MIND) wurde angewandt, um den Einfluss der Niederschlagsvariabilität auf die Struktur des Waldbestandes, die Artenzusammensetzung und die Biomasseproduktion zu ermitteln. Wir pa-rametrisierten das Modell mit Hilfe von Feldbeobachtungsdaten, wobei zum ersten Mal eine Jahrringchronologie von Croton macrostachyus einbezogen wurde. Die Simulationsergebnisse zeigten, dass das Waldmodell die oberirdische Biomasseproduktivität unter aktuellen Nieder-schlagsbedingungen akkurat wiedergibt. Niederschlagsvariationen verursachten Verschiebungen der oberirdischen Biomassedynamik und der Baumartenzusammensetzung. Sowohl die Biomas-se als auch der Artenreichtum nahmen mit den jährlichen Niederschlägen zu, wobei sich die Effekte im weiteren Verlauf stabilisierten. Die Ergebnisse betonen die Auswirkungen der Dauer und Häufigkeit von Stressperioden aufgrund der Wasserbegrenzung auf die Waldstruktur und das -wachstum. Eine zweite Studie (Kapitel 3) befasste sich mit den Auswirkungen der Waldbewirtschaftung auf die Dynamik und Struktur der humiden tropischen Tieflandwälder in Französisch-Guayana. Ich wandte das Managementmodul von FORMIND an und analysierte Simulationsexperimente für ungestörtes Waldwachstum und selektiven Holzeinschlag. Dabei wurden die Auswirkungen un-terschiedlicher Einschlagsintensitäten auf die Dynamik verschiedener Waldattribute (Biomasse, Bruttoprimärproduktion, Blattflächenindex, Shannon-Diversität, Holzvolumen) sowie die Rege-nerationszeiten dieser Waldattribute analysiert. Es stellte sich heraus, dass das Waldmodell so-wohl die Sukzession von ausgewachsenen Wäldern als auch die Sukzession nach Einschlagser-eignissen widerspiegeln kann. Darüber hinaus wurde deutlich, wie stark die Bewirtschaftung mit höheren Einschlagsintensitäten den Wald langfristig beeinflusst: Die mittleren Regenerationszei-ten der untersuchten Waldattribute wurden erheblich verlängert. Bei sehr intensivem Holzein-schlag war die durchschnittliche Regenerationszeit der Waldbiomasse fast doppelt so lang wie in einem moderaten Simulationsszenario. Ähnliche Muster wurden für andere Ökosystemfunktio-nen, z.B. das Holzvolumen, beobachtet. Zusätzlich verschob sich die funktionelle Artzusam-mensetzung, da insbesondere bis zu 30 % Pionierbaumarten in den Wald einwuchsen. In einer dritten Studie (Kapitel 4) wurden die Auswirkungen von Waldbewirtschaftung unter dem Einfluss von Klimawandel anhand der Fallstudie von Französisch-Guayana untersucht. Ich simulierte die natürliche Walddynamik unter den aktuellen Klimabedingungen und verglich die Ergebnisse des Waldmodells mit Szenarien des selektiven Holzeinschlags unter dem Einfluss des Klimawandels. Die Analysen zeigten, wie stark sich die Walddynamik unter verschiedenen Sze-narien des Klimawandels im Vergleich zum Referenzszenario aktueller Klimabedingungen ver-ändert. Wiederholter Holzeinschlag innerhalb der Regenerationszeiten führte zu einer Verringe-rung der Waldattribute einschließlich Biomasse und Holzernte unabhängig von der Intensität des Klimawandels. Bei moderatem Klimawandel (RCP 2.6) blieb die durchschnittliche Biomasse langfristig konstant. Bei intensivem Klimawandel (RCP 8. 5.) ging die durchschnittliche Biomas-se jedoch um 12 % zurück, und die durchschnittliche Holzernte halbierte sich fast unabhängig vom angewandten Rotationszyklus des Holzeinschlags. Durch die Kombination von Holzein-schlag und Klimawandel stieg die Wahrscheinlichkeit von Veränderungen in der Walddynamik, die hauptsächlich durch den Temperaturanstieg bedingt wurden. Abschließend konzentrierte sich die in Kapitel 5 vorgestellte Studie auf die Auswirkungen einer veränderten Baumsterblichkeit, die durch verschiedene Störungsregime verursacht wird, auf die Dynamik der Tropenwälder in Französisch-Guayana. Indem erhöhte Baumsterblichkeitsraten mit dem Waldmodell simuliert wurden, war es möglich, deren Einfluss auf verschiedene Waldattri-bute zu untersuchen. Die Ergebnisse zeigten, dass gravierende Störungen das Sukzessionsmuster der Wälder zugunsten schnell wachsender Arten veränderten, was die Brutto-Primärproduktion veränderte, während die Netto-Primärproduktion stabil blieb. Durch die Kombination von Blatt-flächenindex und Waldhöhe entdeckte ich Relationen, die eine Schätzung der Mortalität der Bi-omasse aufgrund von Baumsterben (d.h. Biomassemortalität) erlauben. Basierend auf diesen Abhängigkeiten und Fernerkundungsdaten kartierte ich die Biomassemortalität für ganz Franzö-sisch-Guayana. Ich ermittelte eine landesweite Biomassemortalität von 3 % pro Jahr (Stan-dardabweichung = 1,4 % pro Jahr). Die gewonnenen Erkenntnisse ermöglichen eine innovative Vorgehensweise für die Quantifizierung der räumlich-zeitlichen Verteilung des Biomassever-lusts, der kürzlich als besonders kritisch für die Erfassung von Mortalitäts-Hotspots identifiziert wurde. Die Quantifizierung der Biomassemortalitätsraten kann dazu beitragen, Unsicherheiten in der terrestrischen Komponente des globalen Kohlenstoffkreislaufs zu verringern. Um zusammenzufassen: Simulationen mit Waldmodellen auf Baumebene haben das Potenzial, die Walddynamik von der lokalen bis zur regionalen Ebene zu erforschen. Sie bieten auch die Möglichkeit, die Auswirkungen sowohl der Waldbewirtschaftung als auch des Klimawandels auf die Wälder zu simulieren und zu quantifizieren. Ein anwendungsorientierter Einsatz von Wald-modellen wird dazu beitragen, das Risiko unerwünschter Reaktionen von Waldökosystemen in einer sich verändernden Umwelt zu erkennen. Um sicherzustellen, dass Ökosystemfunktionen, wie die Holzversorgung und die Kohlenstoffspeicherung in Lebendbiomasse, unter Bedingungen des Klimawandels aufrechterhalten bleiben, kann eine Herangehensweise, basierend auf Wald-modellierung, zur Entwicklung geeigneter Waldbewirtschaftungsstrategien beitragen, z.B. im Sinne von REDD+ und Zertifizierungssystemen für nachhaltige Holzproduktion wie FSC und PEFC.show moreshow less

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Metadaten
Author:Ulrike HiltnerORCiD
Persistent identifiers - URN:urn:nbn:de:bvb:29-opus4-159499
Referee:Achim Bräuning, Andreas Huth
Advisor:Achim Bräuning, Rico Fischer
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of publication:2020
Date of online publication (Embargo Date):2021/02/27
Publishing Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Granting institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Naturwissenschaftliche Fakultät
Acceptance date of the thesis:2020/11/02
Release Date:2021/03/08
Tag:Ethiopia; FORMIND; French Guiana; aboveground biomass; climate change; dynamic vegetation model; forest succession; selective harvest; timber volume; tropical forest
Institutes:Naturwissenschaftliche Fakultät
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 55 Geowissenschaften, Geologie / 556 Geowissenschaften Afrikas
5 Naturwissenschaften und Mathematik / 55 Geowissenschaften, Geologie / 558 Geowissenschaften Südamerikas
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