Advanced

Dynamic modelling of the forest ecosystem: Incorporation of the phosphorus cycle

Yu, Lin LU (2016)
Abstract (Swedish)
Skogsekosystemet är ett av de viktigaste ekosystemen på jorden. Skogen förser oss med mycket som vi har nytta av, vilket numera ofta kallas ekosystemtjänster. Skogen reglerar och förser oss med många viktiga ekosystemtjänster, till exempel biodiversitet, skydd av mark och vatten, tillförsel av fiber, bränsle och andra skogsprodukter, klimatreglering samt sociokulturella värden och tjänster. Arealen som täcks av skog har dock minskat under de senaste århundradena. Riktlinjer har därför formulerats i ett försök att säkerställa att skogar brukas på ett uthålligt sätt, det vill säga att varor och tjänster levereras på ett balanserat sätt. Det kommer att vara svårt att uppnå en sådan balans i framtiden, på grund av förändringar i sociala,... (More)
Skogsekosystemet är ett av de viktigaste ekosystemen på jorden. Skogen förser oss med mycket som vi har nytta av, vilket numera ofta kallas ekosystemtjänster. Skogen reglerar och förser oss med många viktiga ekosystemtjänster, till exempel biodiversitet, skydd av mark och vatten, tillförsel av fiber, bränsle och andra skogsprodukter, klimatreglering samt sociokulturella värden och tjänster. Arealen som täcks av skog har dock minskat under de senaste århundradena. Riktlinjer har därför formulerats i ett försök att säkerställa att skogar brukas på ett uthålligt sätt, det vill säga att varor och tjänster levereras på ett balanserat sätt. Det kommer att vara svårt att uppnå en sådan balans i framtiden, på grund av förändringar i sociala, fysiska och miljörelaterade omständigheter: till exempel, vår ökande efterfrågan av timmer och bioenergi, ökningen av atmosfäriskt nedfall av kväve och koldioxid-koncentrationen som orsakats av industrialiseringen, och klimatförändringen som har orsakar en ökning i temperaturen samt extrema händelser som bränder, torka och stormar. Det är viktigt att veta hur skogen kommer att påverkas av alla dessa förändringar, och dynamisk modellering utgör ett kraftfullt verktyg med vilket detta kan studeras. Dock saknas några viktiga processer, medan andra är grovt förenklade, i de modeller som används idag, vilket leder till osäkra prediktioner om framtidens skogar. Exempelvis har avsaknaden av fosforcykeln identifierats som ett potentiellt problem i många modeller.
I arbetet som beskrivs i denna avhandling har jag först kombinerat den dynamiska biogeokemiska skogsmodellen ForSAFE med empiriska data från miljöövervakning, för att studera effekten av intensifiering av skogsskötseln och av stormstörningar på två svenska skogslokaler. Därefter inkluderade jag fosforcykeln i ForSAFE-modellen, och utvärderade modellen på en av platserna.
Resultaten från ForSAFE-modelleringen indikerade att de tre olika typerna of skogsskötselintensifiering som studerats – uttag av grenar och toppar (grot), ökad gallringsintensitet och kortare omloppstid – generellt skulle öka mängden bortförd biomassa, minska kollagret i marken och minska utlakningen av kväve och löst organiskt kol. En förkortning av omloppstiden tycks leda till markförsuning på grund av förlusten av baskatjoner. Stormstörningar kommer också att öka mängden bortförd biomassa, men kommer att öka kollagringen i marken, och öka utlakningen av kväve och löst organiskt kol. Stormar leder till korsiktig markförsurning, men det verkar inte finnas någon negativ försurningseffekt på lång sikt. Åtgärder bör dock vidtas för att förhindra försurning efter både skogsskötselintensifiering och stormar, för att förhindra att baskatjoner förloras från marken.
Resultaten från den nya versionen av ForSAFE, där fosforcykeln inkluderats, visade att fosformineraliseringen bidrar med omkring 80% av trädens upptag av fosfor i skogsekosystem i sydvästra Sverige, medan inflödet – atmosfäriskt nedfall och vittring, står för återstående 20%. Vikten av fosforvittring i skogsekosystem bör lyftas fram, på grund av vittringens viktiga bidrag till upptag i vegetationen och dess dominerande roll att tillföra fosfor till systemet. Både modellresultat och mätningar indikerade att den studerade lokalen uppvisade tecken på fosforbegränsning för närvarande, men modellen predikterar en möjlig återgång till kvävebegränsning i framtiden, om kvävenedfallet minskar kraftigt.
Sammanfattningsvis har kombinationen av dynamisk skogsmodellering och empiriska data visat sig vara ett kraftfullt angreppssätt för att studera processer och ekosystemtjänster i skogen, och kan vara användbart i framtiden för att stödja skogsbruk och beslutsfattade. Inkluderandet av fosforcykeln i ForSAFE kan vara värdefull för andra markmodeller för samma ändamål. Några av de viktiga resultat som presenteras i denna avhandling kan vara signifikativa och konstruktiva inte bara inom skogbruk, utan även för regional och global kol- och näringsomsättning, och kan därmed potentiellt bidra till framtida klimatreglering och bevarande av biodiversitet.
(Less)
Abstract
The forest ecosystem provides and regulates many important ecosystem services, such as soil and water protection, timber production, and climate regulation. It has been influenced by changes induced by humans, for example, our increasing demand for timber and bioenergy, the increase in nitrogen (N) deposition and CO2 concentrations due to industrialization, and climate change which has caused an increase in global temperature and extreme events such as storms. It is important to know how forests will be affected by all these changes, and dynamic modeling provides a powerful tool with which this can be studied. However, some important processes are missing or oversimplified in present-day models, which will lead to unreliable predictions... (More)
The forest ecosystem provides and regulates many important ecosystem services, such as soil and water protection, timber production, and climate regulation. It has been influenced by changes induced by humans, for example, our increasing demand for timber and bioenergy, the increase in nitrogen (N) deposition and CO2 concentrations due to industrialization, and climate change which has caused an increase in global temperature and extreme events such as storms. It is important to know how forests will be affected by all these changes, and dynamic modeling provides a powerful tool with which this can be studied. However, some important processes are missing or oversimplified in present-day models, which will lead to unreliable predictions about the future of forests. For example, the lack of the phosphorus (P) cycle has been identified as a possible problem in many models.
In this thesis, I first combined the dynamic forest biogeochemistry model, ForSAFE, with empirical monitoring data, to study the effects of management intensification and storm disturbances on two Swedish forest sites. I then included the phosphorus cycle in the ForSAFE model and evaluated the model at one of the sites.
The model results indicated that the three measures of management intensification (residue removal, intensification of thinning, and shorter rotation time) and storm disturbances would both increase the biomass loss.
The carbon (C) storage in the soil, and the leaching of N and dissolved organic C would decrease in management intensification but increase in storm disturbances. Shortening the rotation time appears to lead to soil acidification due to the loss of base cations. Storms lead to short-term soil acidification, but there seems to be no negative effect on acidification in the long term. However, measures should be taken to avoid acidification after both management intensification and storms, to prevent the loss of base cations from the soil.
The results from the new ForSAFE, including the P cycle, showed that, in southwestern Sweden, P mineralization contributes about 80% to the plant P uptake in the forest, while the inputs—deposition and weathering—account for the remaining 20%. Phosphorus weathering should be highlighted in the forest due to its important contribution to plant uptake and its dominant role as a P input. Both model results and measurements indicated that the study site showed signs of P limitation at the present time, but the model predicts that it may return to be N-limited in the future if N deposition declined strongly.
In conclusion, the combination of forest dynamic modeling and empirical data has proved to be a powerful approach to study the processes and ecosystem services of the forest, and could be useful in the future to support forest management and policy-making. The inclusion of the P cycle in ForSAFE could be valuable for other terrestrial models for the same task. Some important findings in this thesis could be significative and constructive not only in forest management, but also in regional or global C and nutrient cycling, thus potentially contributing to future climate regulation or biodiversity conservation. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
supervisor
opponent
  • Docent Futter, Martyn, Department of Aquatic Sciences and Assessment, SLU, Uppsala
organization
publishing date
type
Thesis
publication status
published
subject
keywords
Dynamic modeling, forest ecosystem, phosphorus cycle
pages
204 pages
publisher
Lund University, Faculty of Science, Center for Environmental and Climate Research
defense location
The Ecology building, lecture hall “Blå hallen”, Sölvegatan 37, Lund
defense date
2016-10-28 10:00
ISBN
978-91-7623-958-2
language
English
LU publication?
yes
id
c982c8f5-4a29-44fe-8bb2-f8f7a89b54e6
date added to LUP
2016-10-03 10:12:04
date last changed
2016-10-07 15:31:23
@misc{c982c8f5-4a29-44fe-8bb2-f8f7a89b54e6,
  abstract     = {The forest ecosystem provides and regulates many important ecosystem services, such as soil and water protection, timber production, and climate regulation. It has been influenced by changes induced by humans, for example, our increasing demand for timber and bioenergy, the increase in nitrogen (N) deposition and CO2 concentrations due to industrialization, and climate change which has caused an increase in global temperature and extreme events such as storms. It is important to know how forests will be affected by all these changes, and dynamic modeling provides a powerful tool with which this can be studied. However, some important processes are missing or oversimplified in present-day models, which will lead to unreliable predictions about the future of forests. For example, the lack of the phosphorus (P) cycle has been identified as a possible problem in many models.<br/>In this thesis, I first combined the dynamic forest biogeochemistry model, ForSAFE, with empirical monitoring data, to study the effects of management intensification and storm disturbances on two Swedish forest sites. I then included the phosphorus cycle in the ForSAFE model and evaluated the model at one of the sites.<br/>The model results indicated that the three measures of management intensification (residue removal, intensification of thinning, and shorter rotation time) and storm disturbances would both increase the biomass loss.<br/>The carbon (C) storage in the soil, and the leaching of N and dissolved organic C would decrease in management intensification but increase in storm disturbances. Shortening the rotation time appears to lead to soil acidification due to the loss of base cations. Storms lead to short-term soil acidification, but there seems to be no negative effect on acidification in the long term. However, measures should be taken to avoid acidification after both management intensification and storms, to prevent the loss of base cations from the soil.<br/>The results from the new ForSAFE, including the P cycle, showed that, in southwestern Sweden, P mineralization contributes about 80% to the plant P uptake in the forest, while the inputs—deposition and weathering—account for the remaining 20%. Phosphorus weathering should be highlighted in the forest due to its important contribution to plant uptake and its dominant role as a P input. Both model results and measurements indicated that the study site showed signs of P limitation at the present time, but the model predicts that it may return to be N-limited in the future if N deposition declined strongly.<br/>In conclusion, the combination of forest dynamic modeling and empirical data has proved to be a powerful approach to study the processes and ecosystem services of the forest, and could be useful in the future to support forest management and policy-making. The inclusion of the P cycle in ForSAFE could be valuable for other terrestrial models for the same task. Some important findings in this thesis could be significative and constructive not only in forest management, but also in regional or global C and nutrient cycling, thus potentially contributing to future climate regulation or biodiversity conservation.},
  author       = {Yu, Lin},
  isbn         = {978-91-7623-958-2},
  keyword      = {Dynamic modeling,forest ecosystem,phosphorus cycle},
  language     = {eng},
  pages        = {204},
  publisher    = {ARRAY(0x99fa9a8)},
  title        = {Dynamic modelling of the forest ecosystem: Incorporation of the phosphorus cycle},
  year         = {2016},
}