DYNAMIC MODELLING OF BIOGEOCHEMICAL PROCESSES IN FOREST ECOSYSTEMS

Abstract

Forests in Sweden are undergoing rapid and considerable changes regarding both management methods and environmental conditions. To understand the effects of these changes and to be able to predict impending changes in forest ecosystems, a holistic understanding of the processes governing the ecosystem is needed. To gain such an understanding, the ForSAFE model of the biogeochemical cycles in a forest ecosystem has been developed. ForSAFE is a dynamic model which closes the physical cycles between the living biomass, the soil organic matter, the soil hydrology and the soil chemistry. The model was complemented with a supplementary module, called VEG, to include the response of the composition of the ground vegetation to the conditions at the sites. This thesis describes ForSAFE-VEG and its application to forest ecosystems in Sweden.



The model was applied to a number of coniferous Swedish sites with a wide geographical distribution to investigate the responses of the forest ecosystems to changes in atmospheric deposition and harvest methods. The model output was validated on different levels, including the biomass, the soil organic matter and the soil chemistry. The results of the simulations show that there is a high risk of nitrogen leaching, particularly in the south and centre of Sweden. The leaching of nitrogen is found to be triggered by harvesting, but the magnitude of the leaching depends on the historical accumulation of N from deposition. The simulations also predict an increase in the number of sites with acidified soils in the future, contrary to what has been predicted by previous models. The reason behind this increase was found to be the high uptake rates of base cations associated with high biomass growth rates, which in turn are the result of the high nitrogen deposition. Finally, the results of the ForSAFE-VEG were used to differentiate between the different causes of change in the ground vegetation diversity. The results indicate that the changes in the composition of the ground vegetation are triggered by clear-cutting, but that the direction of these changes is governed by the histories of the sites and the intensity of atmospheric deposition.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Under de senaste decennierna har våra skogar utsatts för en allt högre grad av stress som en följd av förändrade produktionsmönster och en hög deposition av gödande och försurande ämnen, såsom kväve ovh svavel. Kväve är det ämne som begränsar trädens tillväxt, och det höga nedfallet av detta ämne har resulterat i att träden växt mycket snabbbare. Deras behov av andra näringsämnen har därför ökat, vilket har lett till ett högt upptag av dessa, samtidigt som en omfattande urlakning av samma näringsämnen som en föjd av försurningen av marken skett. Detta har resulterat i en utarmning av markens näringskapital. Det finns därför en risk för att skogarna i framtiden kan komma att växa sämre om inga åtgärder vidtas. Försurningen och det ökande kväveinnehållet i våra skogar har också, tillsammans med den höga andelen barrskog och de korta rotationsperioderna, haft en negativ inverkan på den biologiska mångfalden i våra skogar.



Genom att använda olika typer av balansberäkningar och modeller kan man räkna ut hur skogen kommer att växa i framtiden och hur näringskapitalet i marken kan komma att förändras beroende av hur skogen sköts och vilka förändringar som sker i miljön. De modeller som har använts hittills har dock antingen varit statiska eller inte tagit hänsyn till samspelet mellan de biologiska, geologiska och kemiska processerna i skogsekosystemen. För att kunna integrera alla dessa processer har därför en ny typ av dynamisk modell för simulering av vad som kommer att hända med skogsekosystemen i framtiden utvecklats: ForSAFE-VEG. I ForSAFE-VEG är markens kemi, nedbrytningen av organiskt material och markens hydrologi kopplat till hur träden växer och till sammansättningen av markvegetation och vice versa. Den här avhandlingen beskriver uppbyggnaden och strukturen hos ForSAFE-VEG och dess applicering i svenska skogsekosystem.



Resultaten från simuleringarna med ForSAFE-VEG visar att skogen kommer att fortsätta växa bra under de kommande två rotationsperioderna. I motsats till tidigare modeller indikerar dock simuleringarna med ForSAFE-VEG att andelen försurade skogsbestånd kommer att öka även om utsläppen av kväve och svavel reduceras enligt gällande internationella överenskommelser. ForSAFE-VEG predikterar dessutom att näringspoolen i marken inte kommer att återhämta sig och att risken för läckage av kväve kommer att vara mycket hög i stora delar av södra Sverige. Med den nuvarande avverkningsfrekvensen kommer skogarna inte heller att ackumulera extra kol, något som tidigare föreslagits kunna minska halterna av koldioxid i atmosfären och därmed vara ett verktyg för att motverka växthuseffekten. Simuleringarna visar dessutom att även om kvävenedfallet minskar i framtiden, kommer den omfattande depositionen under 1900-talet tillsammans med de frekventa avverkningarna att leda till stora förändringar i sammansättningen av markvegetationen i skogsekosystemen. Eftersom depositionen är mycket högre i de södra delarna av landet drabbas dessa delar generellt sett hårdare av förändringarna än de norra.



ForSAFE-VEG utgör en god utgångspunkt i arbetet med att studera hur skogsekosystem förändras över tiden. Ett antal förenklingar har dock gjorts och ytterligare arbetsinsatser krävs därför för att förbättra modellen.

• author: Belyazid, Salim
• supervisor: Harald Sverdrup
• opponent: Professor Aber, John, University of New Hampshire
• organization: Division of Chemical Engineering
• publishing date: 2006
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Chemical Engineering
• keywords: Naturvetenskap, marklära, Silviculture, forestry, forestry technology, Skogsvetenskap, skogsbruk, skogsteknik, Natural science, Lantbrukshydrologi, Soil Science, agricultural hydrology, Växtekologi, Forest Soil Acidification, Plant ecology, Plant biochemistry, Forest Growth, Vegetation biodiversity, Carbon Sequestration, Nitrogen Leaching, Miljökemi, Dynamic Modelling, Växtbiokemi, Environmental chemistry
• in: Reports in Ecology and Environmental Engineering
• pages: 78 pages
• defense location: Geocentrum 2, Sölvegatan 10, Lund Institute of Technology.
• defense date: 2006-03-28 10:15:00
• ISSN: 1104-2877
• ISBN: 91-7422-108-6
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 0150f5af-29f9-4d96-8089-a4f323f13287 (old id 546361)
• date added to LUP: 2016-04-01 16:16:04
• date last changed: 2019-05-23 18:01:29