Climate change, large-scale disturbances and adaptive forest management

Diss. ETH No. 20899

Climate change, large-scale disturbances and
        adaptive forest management

                     A dissertation submitted to
                            ETH Zurich

                          for the degree of
                         Doctor of Sciences

                            presented by
                     Christian Walter Temperli

        Dipl. Umwelt-Naturwissenschafter (M.Sc.), ETH Zurich
                        born April 21, 1981
                       citizen of Hirzel (ZH)

                 accepted on the recommendation of
                Prof. Dr. Harald Bugmann, examiner
                     Dr. Ché Elkin, co-examiner
               Prof. Dr. Björn Reineking, co-examiner

                               2012

Summary

Summary

In many regions of the world forests provide a wealth of ecosystem goods and services (EGS)
that humans depend on. While the state of forests determines the provision of EGS, forest
development is driven by interactions between forest succession, disturbances and forest
management that operate across a wide range of spatial and temporal scales. These processes
are in turn influenced by spatially heterogeneous environmental conditions, and the legacies
of past management and disturbances. Future forest dynamics and EGS provisioning will also
be influenced by the direct effects of climate change on forest composition and structure, and
the indirect effects of climate change that are mediated by altered disturbance regimes. To
mitigate negative effects of climate change and disturbances on future EGS provision adap-
tive management strategies need to be devised based on sound scientific principles. In order
to develop the required knowledge, dynamic forest simulation models that allow the relative
impact of multiple interacting driving factors to be examined across large temporal (decades
to centuries) and spatial (stand to landscape) scales, have been used (Chapter 1). The overall
aim of this thesis was to contribute to this integrative ecological understanding of long-term,
landscape-scale forest and disturbance dynamics under climate change.

Chapter 2: Using the forest landscape model LandClim I explored how forest EGS projections
are affected by uncertainties in the initial forest composition, structure and landscape-scale
heterogeneity. To this end, I contrasted initializing the model with fine- and coarse-grained
inventory data as well as simulation-derived data for a spruce (Picea abies) dominated study
landscape in the Black Forest, Germany. I found that simulated trends in long-term and land-
scape-scale forest succession and EGS provision are robust towards uncertainties in initializa-
tion data, particularly under climate change. However, uncertainties increase if EGS are eval-
uated at small spatial and temporal scales, if the EGS measures take into account forest spatial
heterogeneity and if developments of drought-sensitive species (e.g., Norway spruce) are
evaluated. The impact of uncertainties in initial forest state are amplified by interactions be-
tween initialized abundance and age structure of Norway spruce and simulated forest man-
agement. In conclusion, I advocate for initializing landscape models with fine-grained data in
applications that focus on spatial management problems in heterogeneous landscapes.

Chapter 3: To improve our understanding how climate change will influence forest
disturbance dynamics I investigated how climate change can alter the interactions between
bark beetle (Ips typographus) disturbance, wind disturbance and forest dynamics across a
large part of the Norway spruce range, i.e. from low over mid elevations in the Black Forest,
Germany, to high elevation forests in Davos, Switzerland. I synthesized available information
on short-term and/or small-scale beetle-climate-forest interactions, and incorporated this
information into a spatially explicit and climate sensitive bark beetle module in LandClim.

                                              iii

Summary

With this novel model I was able to depict the long-term landscape-scale dynamics of beetle-
forest interactions that emerged from the relationships implemented at small spatial and
temporal scales. Following extensive model corroboration I found that at high elevations
beetle disturbances are projected to increase in response to both climate change and wind
disturbance. In contrast, at low elevations drought is projected to become sufficiently severe
that it can overtake wind disturbance as one of the primary outbreak triggers in the short term
(

Summary

jects for the end of this century leads me to the conclusion that adaptive management alone is
not sufficient to maintain the provision of essential ecosystem goods and services in the long-
term. Solutions at the global level need to be found to mitigate climate change.

                                              v

Zusammenfassung

Zusammenfassung

Wälder erbringen eine Fülle von Ökosystemgüter und -Leistungen (ÖGL), welche für die
Menschen in vielen Regionen der Welt von entscheidender Bedeutung sind. Während die Fä-
higkeit von Wäldern ÖGL zu erbringen von deren Zustand abhängt, bestimmen Interaktionen
zwischen Waldsukzession, Störungen und Waldbewirtschaftung, die sich über eine grosse
Bandbreite von räumlichen und zeitlichen Skalen abspielen, die Waldentwicklung. Diese Pro-
zesse hängen wiederum von räumlich variierenden Umweltbedingungen und Nachwirkungen
früherer Bewirtschaftung und Störungen ab. Zusätzlich wird in Zukunft der Klimawandel die
Walddynamik und damit die ÖGL direkt durch dessen Wirkung auf die Waldzusammenset-
zung und -struktur und indirekt bedingt durch Veränderungen im Störungsregime beeinflus-
sen. Eine Verringerung der negativen Effekte des Klimawandels und Störungen auf die ÖGL
erfordert nach wissenschaftlichen Prinzipien konzipierte adaptive Bewirtschaftungsstrategien.
Um das benötigte Wissen zu entwickeln, sind dynamische Waldsimulationsmodelle von gros-
sem Nutzen. Diese Modelle erlauben es, die relativen Einflüsse einer Vielzahl untereinander
interagierender Faktoren über grosse Zeiträume (Jahrzehnte bis Jahrhunderte) und über einen
grossen Bereich von räumlichen Massstabsebenen (Bestände bis Landschaften) zu untersu-
chen (Kapitel 1). Das übergeordnete Ziel dieser Dissertation war es, zum integrierten ökologi-
schen Verständnis der langfristigen und sich auf der Landschaftsebene abspielenden Wald-
und Störungsdynamik beizutragen.

Kapitel 2: Mit dem Waldlandschaftsmodell LandClim wurde untersucht, wie sich Unsicher-
heiten im Anfangszustand des Waldes bezüglich Zusammensetzung, Struktur und räumlicher
Vielfalt auf ÖGL-Projektionen auswirken. Zu diesem Zweck wurde die Initialisierung des
Modells sowohl mit fein- und grobkörnigen Inventurdaten als auch mit simulierten Daten
einer Fichten- (Picea abies) dominierten Landschaft im Schwarzwald, Deutschland, vergli-
chen. Die Resultate zeigten, dass Simulationen von langfristigen und grossräumigen Wald-
und ÖGL-Entwicklungen robust gegenüber Unsicherheiten in den Initialisierungsdaten sind,
und dies vor allem unter starkem Klimawandel. Die Unsicherheiten nehmen jedoch zu, falls
(1) die ÖGL über kleine Raum- und Zeitskalen abgeschätzt werden, (2) ÖGL-Masseinheiten
die räumliche Vielfalt des Waldes berücksichtigen, und (3) die Entwicklung von trockenheits-
empfindlichen Baumarten (z.B. Fichte) beurteilt wird. Zudem verstärken Interaktionen zwi-
schen initialisierter Fichtenabundanz und -altersstruktur und simulierter Waldbewirtschaftung
den Einfluss dieser Unsicherheiten. Deshalb wird für Anwendungen von Waldlandschaftsmo-
dellen, die sich mit Fragen der Bewirtschaftung von räumlich vielfältig gegliederten Land-
schaften beschäftigen, eine Initialisierung mit feinkörnigen Daten empfohlen.

Kapitel 3: Um besser zu verstehen, wie der Klimawandel Störungen beeinflussen wird, wurde
untersucht wie die Interaktionen zwischen Borkenkäfern (Ips typographus), Windwurf und

                                              vi

Zusammenfassung

der Walddynamik verändert werden. Die Untersuchung erstreckte sich über niedere und mitt-
lere Lagen im Schwarzwald in Deutschland und über hohe Lagen in Davos. Damit wurde ein
grosser Teil des von Fichten besetzten Höhen-, bzw. Klimagradienten erfasst. Informationen
über die kurzzeitigen und/oder kleinräumigen Interaktionen zwischen Borkenkäfern und Kli-
ma wurden zu einem räumlich expliziten, klima-sensitiven Borkenkäfermodul in LandClim
zusammengefügt. Mit diesem neuartigen Modell war es möglich, die langfristige Dynamik
von Käfer-Wald-Interaktionen auf der Landschaftsebene, welche sich aus den auf kleinen
zeitlichen und räumlichen Skalen implementierten Beziehungen ergeben, aufzuzeigen. Nach
eingehender Prüfung des Modells zeigten die Projektionen, dass in hohen Lagen mit dem
Klimawandel und mit Windwurf Borkenkäferstörungen zunehmen werden. In tiefen Lagen
dagegen kann in relativ kurzer Zeit (

Zusammenfassung

entwicklung, Störungen und der Waldbewirtschaftung gewonnen. Die Dissertation führte zu
Entwicklungen in der Modellierung von Waldlandschaften und Störungen, die es erlaubten,
von Rückkopplungen angetriebene Abläufe aufzuzeigen, die aufgrund der Betrachtung der
direkten ökologischen Beziehungen alleine nicht ersichtlich wären. In Kapitel 5 werden diese
Erkenntnisse zusammengefasst und diskutiert, und es werden Empfehlungen für die adaptive
Waldbewirtschaftung abgeleitet. Dabei wird auf die besondere Bedeutung der strukturellen
und räumlichen Vielfalt von Waldlandschaften, von raumübergreifenden Effekten und den
verschiedenen, vom Betrachtungsmassstab abhängigen Interaktionen zwischen den treibenden
Faktoren der zukünftigen Walddynamik hingewiesen. Die in dieser Studie projizierten starken
Auswirkungen des Klimawandels auf die Waldzusammensetzung und Störungsregimes lassen
darauf schliessen, dass für die langfristige Erhaltung der Ökosystemgüter und -Leistungen
adaptive Bewirtschaftungsmassnahmen nicht genügen und Lösungen zur Verringerung des
Klimawandels auf globaler Ebene erforderlich sind.

                                            viii