Model-based analysis of climate change impacts on the productivity of oak-pine forests in Brandenburg

Modell-basierte Analyse der Auswirkungen des Klimawandels auf die Produktivität von Eichen-Kiefern-Mischbeständen in Brandenburg

  • The relationship between climate and forest productivity is an intensively studied subject in forest science. This Thesis is embedded within the general framework of future forest growth under climate change and its implications for the ongoing forest conversion. My objective is to investigate the future forest productivity at different spatial scales (from a single specific forest stand to aggregated information across Germany) with focus on oak-pine forests in the federal state of Brandenburg. The overarching question is: how are the oak-pine forests affected by climate change described by a variety of climate scenarios. I answer this question by using a model based analysis of tree growth processes and responses to different climate scenarios with emphasis on drought events. In addition, a method is developed which considers climate change uncertainty of forest management planning. As a first 'screening' of climate change impacts on forest productivity, I calculated the change in net primary production on the base of a large setThe relationship between climate and forest productivity is an intensively studied subject in forest science. This Thesis is embedded within the general framework of future forest growth under climate change and its implications for the ongoing forest conversion. My objective is to investigate the future forest productivity at different spatial scales (from a single specific forest stand to aggregated information across Germany) with focus on oak-pine forests in the federal state of Brandenburg. The overarching question is: how are the oak-pine forests affected by climate change described by a variety of climate scenarios. I answer this question by using a model based analysis of tree growth processes and responses to different climate scenarios with emphasis on drought events. In addition, a method is developed which considers climate change uncertainty of forest management planning. As a first 'screening' of climate change impacts on forest productivity, I calculated the change in net primary production on the base of a large set of climate scenarios for different tree species and the total area of Germany. Temperature increases up to 3 K lead to positive effects on the net primary production of all selected tree species. But, in water-limited regions this positive net primary production trend is dependent on the length of drought periods which results in a larger uncertainty regarding future forest productivity. One of the regions with the highest uncertainty of net primary production development is the federal state of Brandenburg. To enhance the understanding and ability of model based analysis of tree growth sensitivity to drought stress two water uptake approaches in pure pine and mixed oak-pine stands are contrasted. The first water uptake approach consists of an empirical function for root water uptake. The second approach is more mechanistic and calculates the differences of soil water potential along a soil-plant-atmosphere continuum. I assumed the total root resistance to vary at low, medium and high total root resistance levels. For validation purposes three data sets on different tree growth relevant time scales are used. Results show that, except the mechanistic water uptake approach with high total root resistance, all transpiration outputs exceeded observed values. On the other hand high transpiration led to a better match of observed soil water content. The strongest correlation between simulated and observed annual tree ring width occurred with the mechanistic water uptake approach and high total root resistance. The findings highlight the importance of severe drought as a main reason for small diameter increment, best supported by the mechanistic water uptake approach with high root resistance. However, if all aspects of the data sets are considered no approach can be judged superior to the other. I conclude that the uncertainty of future productivity of water-limited forest ecosystems under changing environmental conditions is linked to simulated root water uptake. Finally my study aimed at the impacts of climate change combined with management scenarios on an oak-pine forest to evaluate growth, biomass and the amount of harvested timber. The pine and the oak trees are 104 and 9 years old respectively. Three different management scenarios with different thinning intensities and different climate scenarios are used to simulate the performance of management strategies which explicitly account for the risks associated with achieving three predefined objectives (maximum carbon storage, maximum harvested timber, intermediate). I found out that in most cases there is no general management strategy which fits best to different objectives. The analysis of variance in the growth related model outputs showed an increase of climate uncertainty with increasing climate warming. Interestingly, the increase of climate-induced uncertainty is much higher from 2 to 3 K than from 0 to 2 K.show moreshow less
  • Diese Arbeit befasst sich mit der Modellierung der Produktivität von Eichen-Kiefern Mischbeständen mit besonderem Fokus auf das Bundesland Brandenburg. Es werden drei Hauptfragen bearbeitet: a) wie verhält sich die Produktivität der beiden Baumarten im Vergleich zu den beiden anderen Hauptbaumarten Fichte und Buche im gesamtdeutschen Vergleich unter verschiedenen Klimaszenarien, b) wie wichtig ist der Prozess der Wasseraufnahme über die Wurzeln bei der Modellierung der Produktivität unter Bedingungen von Trockenjahren, c) wie lassen sich Unsicherheiten durch Bewirtschaftung und Klimaszenarien in der Modellierung der Eichen-Kiefern Mischbestände und bei nachfolgenden Entscheidungsprozessen berücksichtigen? Der methodische Schwerpunkt der Arbeit liegt auf der Modellierung. Im ersten Teil der Arbeit werden mit Hilfe von verschiedenen unabhängigen Umweltvariablen des Klimas und des Bodens Wirkungsbeziehungen zur Produktivität ermittelt, die Aussagen zur Veränderung der Produktivität in Abhängigkeit dieser UmweltvariablenDiese Arbeit befasst sich mit der Modellierung der Produktivität von Eichen-Kiefern Mischbeständen mit besonderem Fokus auf das Bundesland Brandenburg. Es werden drei Hauptfragen bearbeitet: a) wie verhält sich die Produktivität der beiden Baumarten im Vergleich zu den beiden anderen Hauptbaumarten Fichte und Buche im gesamtdeutschen Vergleich unter verschiedenen Klimaszenarien, b) wie wichtig ist der Prozess der Wasseraufnahme über die Wurzeln bei der Modellierung der Produktivität unter Bedingungen von Trockenjahren, c) wie lassen sich Unsicherheiten durch Bewirtschaftung und Klimaszenarien in der Modellierung der Eichen-Kiefern Mischbestände und bei nachfolgenden Entscheidungsprozessen berücksichtigen? Der methodische Schwerpunkt der Arbeit liegt auf der Modellierung. Im ersten Teil der Arbeit werden mit Hilfe von verschiedenen unabhängigen Umweltvariablen des Klimas und des Bodens Wirkungsbeziehungen zur Produktivität ermittelt, die Aussagen zur Veränderung der Produktivität in Abhängigkeit dieser Umweltvariablen erlauben. Damit können verschiedene Regionen in Deutschland auf ihre Sensitivität der Produktivität gegenüber verschiedenen Klimaszenarien hin untersucht werden. Im zweiten Teil werden innerhalb eines prozess-basierten Waldwachstumsmodell 4C zwei unterschiedliche Ansätze der Wasseraufnahme über die Wurzeln analysiert. Dabei werden Messdaten zur Transpiration, zu Bodenwassergehalten und zu Durchmesserzuwächsen auf Basis von Jahrringchronologien zur Überprüfung herangezogen. Der erste Ansatz ist eine empirisch abgeleitete Gleichung, die die Wasseraufnahme in Abhängigkeit des Wassergehalts beschreibt. Der zweite Ansatz berücksichtigt die unterschiedlichen Druckpotenziale sowie einzelne Widerstände entlang des Wasserflusses vom Boden über die Pflanze in die Atmosphäre. Im dritten Teil der Arbeit wird das Waldwachstumsmodell angewendet und eine Auswahlmethodik vorgestellt, die Entscheidungen bei Unsicherheit erlaubt. Dabei werden die vorhandenen Unsicherheiten, hervorgerufen durch Bewirtschaftung und Klima, in den Prozess der Entscheidungsfindung quantitativ mit einbezogen. Drei verschiedene Bewirtschaftungsstrategien, die unterschiedliche Durchforstungsstärken beinhalten, werden simuliert und ihr Erreichen von drei vorher festgelegten Ziele (maximale Kohlenstoffspeicherung im Bestand, maximale Holzernte, moderates Ziel hinsichtlich Kohlenstoffspeicherung und Holzernte) untersucht. Bezogen auf die erste Frage ergibt die Arbeit zwei wesentliche Ergebnisse. Eine Temperaturerhöhung bis zu drei Kelvin bis 2060 führt zu positiven Ergebnissen in der Produktivität von Eichen-, Kiefern-, Buchen- und Fichtenbeständen. Allerdings ist in niederschlagsarmen Regionen, wie im nordostdeutschen Tiefland, dieser positive Trend stark abhängig von der Länge der Trockenperioden innerhalb der Vegetationszeit. Demzufolge ist die Produktivitätsveränderung der vier Baumarten im Land Brandenburg mit der höchsten Unsicherheit im Vergleich zu den anderen Bundesländern verbunden. Zur zweiten Frage gibt die Arbeit zwei wesentliche Ergebnisse. Im Vergleich mit den Messdaten auf unterschiedlicher zeitlicher und physiologischer Ebene kann kein Ansatz ermittelt werden, der jeweils das bessere Ergebnis erzielt. Im Vergleich von Transpiration, Bodenwassergehalt und Trockenjahren ergeben sich zwar etwas bessere Ergebnisse für den prozess-basierten gegenüber dem empirischen Ansatz, doch sind diese sehr stark abhängig vom angenommenen Wurzelwiderstand. Dieser ist schwer zu bestimmen und verhindert bisher eine breite Anwendung des Ansatzes innerhalb der Waldwachstumsmodelle. Hier ist weiterer Forschungsbedarf vorhanden um bei der Modellierung der Auswirkungen von Trockenjahren auf die Produktivität die Modellunsicherheit zu verringern. Für die letzte Frage ergeben sich ebenso interessante Ergebnisse. Keine Durchforstungsstrategie kann alle drei Zielstellungen erfüllen. Die Methodik erlaubt aber ein großes Maß an Objektivität beim Vergleich der unterschiedlichen Bewirtschaftungsstrategien unter der Unsicherheit der Klimaszenarien. Die Varianz, bezogen auf Ergebnisse zur Bestandesbiomasse, Holzernte und zum jährlichen Holzzuwachs, steigt mit steigender Klimaerwärmung. Dabei ist der Anstieg in der Varianz größer bei einem Temperaturanstieg von zwei Kelvin auf drei Kelvin als von null Kelvin auf zwei Kelvin. Das heißt, Auswirkungen einer Klimaerwärmung verlaufen hier nicht linear.show moreshow less

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Metadaten
Author:Martin Gutsch
URN:urn:nbn:de:kobv:517-opus4-97241
Advisor:Wolfgang Cramer
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2016
Publishing Institution:Universität Potsdam
Granting Institution:Universität Potsdam
Date of final exam:2016/07/11
Release Date:2016/10/10
Tag:Forstwirtschaft; Klimaauswirkung; Klimawandel; Unsicherheit; Waldbewirtschaftung; Waldwachstumsmodellierung
climate change; forest growth modelling; forest management; scenario analysis; water uptake
Pagenumber:vii, 148
RVK - Regensburg Classification:RG 45447, ZC 72260
Organizational units:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Geoökologie
CCS Classification:J. Computer Applications
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 55 Geowissenschaften, Geologie / 550 Geowissenschaften
MSC Classification:92-XX BIOLOGY AND OTHER NATURAL SCIENCES
PACS Classification:80.00.00 INTERDISCIPLINARY PHYSICS AND RELATED AREAS OF SCIENCE AND TECHNOLOGY
JEL Classification:Q Agricultural and Natural Resource Economics; Environmental and Ecological Economics
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