Advanced

Modelling nutrient transport from forest ecosystems to surface waters : The model ForSAFE-2D

Zanchi, Giuliana LU (2016)
Abstract (Swedish)
Skogar tillhandahåller en mångfald av produkter och tjänster som alla är kopplade till vattenresurser. Träd behöver vatten för att växa och samtidigt förändrar träd kvalitén och kvantiteten av avrinningen genom modifiering av vatten- och näringsämneskretsloppet. Förståelsen av samspelet mellan skog och vatten är grundläggande för att kunna utvärdera konsekvenserna av naturlig och antropogen påverkan, såsom klimatförändring och skogsbruksåtgärder, på försörjningen av skogsprodukter och tjänster.
På grund av ekosystemens komplexitet används ofta modeller för att förstå interaktionerna mellan olika delar av systemen under förändrande förhållanden. ForSAFE är en dynamisk, mekanistisk ekosystemmodell som simulerar lagring och flöde av... (More)
Skogar tillhandahåller en mångfald av produkter och tjänster som alla är kopplade till vattenresurser. Träd behöver vatten för att växa och samtidigt förändrar träd kvalitén och kvantiteten av avrinningen genom modifiering av vatten- och näringsämneskretsloppet. Förståelsen av samspelet mellan skog och vatten är grundläggande för att kunna utvärdera konsekvenserna av naturlig och antropogen påverkan, såsom klimatförändring och skogsbruksåtgärder, på försörjningen av skogsprodukter och tjänster.
På grund av ekosystemens komplexitet används ofta modeller för att förstå interaktionerna mellan olika delar av systemen under förändrande förhållanden. ForSAFE är en dynamisk, mekanistisk ekosystemmodell som simulerar lagring och flöde av kemiska ämnen i skogsekosystem. Modellen har utvecklats för att bättre förstå påverkan av miljöförändringar på skogsbiomassans kemi samt mark- och markvattenkemi på skogsbeståndsnivå.
De första två studierna i denna avhandling är exempel på tillämpning av ForSAFE i skogsbestånd i södra Sverige. Modellen används för att simulera effekterna av naturliga och antropogena störningar på olika ekosystemsindikatorer, inklusive indikatorer för markvattenkvalitet. Studierna visar att näringsämnesurlakning nedanför rotzonen är positivt relaterad till näringsämnestillgänglighet på platsen, markstörningar samt mängden organiskt material som lämnats kvar efter avverkning eller storm. Båda störningstyperna leder till en tillfällig ökning av surhetsgraden i markvattnet men långsiktiga effekter förutsågs inte av modellen. Jämfört med avverkning kan det förekomma en ökad frigörelse av näringsämnen i markvattnet efter stormar på grund av rotryckning som orsakar ökad mineralisering, en större mängd biomassa som lämnas kvar på plats på grund av tekniska och ekonomiska begränsningar samt större öppningar i krontaket. Dessutom kan havssaltsepisoder öka surhetsgraden av markvattnet de första åren efter stormen. När man beaktar andra ekosystemstjänster kan det behövas avvägningar mellan minskningen av näringsämnesbelastning i markvattnet och kollagring i skogen.
De slutsatser som kan dras från användningen av ForSAFE på skogsbeståndsnivå gäller för markvattenkemi i den omättade zonen. I denna avhandling har modellsimuleringarna utvecklats från beståndsnivå till sluttningsnivå, för att förstå hur skogsekosystem kan påverka kemin i små vattendrag. Ett nytt hydrologiskt koncept har integrerats i ForSAFE-2D, som simulerar tvådimensionella flöden av vatten och kemiska ämnen från skogen till vattendraget.
ForSAFE-2D möjliggör en bättre representation av fukthalten genom att simulera en ökad vattenmättnadsnivå i djupare jordskikt och närmre vattendragen. Den simulerade transporten av ett spårämne utmed sluttningen visar att modellen är kapabel att fastställa den genomsnittliga koncentrationen av spårämnet i vattendraget. Denna förmåga är baserad på en korrekt beskrivning av det långsiktiga genomsnittliga flödet och spårämneskoncentrationen i markvattnet.
Resultaten belyser också några frågor som bör behandlas i uppföljningsstudier. Uppdelningen av vatten mellan basflöde och maximalt flöde antyder att simuleringen av flödesvägar i ForSAFE-2D bör utvärderas på nytt. En korrekt beskrivning av flödesvägar kommer att vara nödvändig vid simulering av transporten av grundämnen och föreningar som ändrar koncentration beroende på djup eller avstånd från vattendrag (t.ex. löst organiskt material). Dessutom visar effekterna av mättnad på vittring såväl som på nedbrytning att reglering av dessa processer vid ökande fukthalt bör uppdateras. Slutligen bör processen som reglerar allokeringen av kol och näringsämnen till blad/barr ses över för att öka andelen blad/barr i trädbiomassan, och därmed korrigera simuleringen av evapotranspiration. (Less)
Abstract
Forests provide multiple products and services which are all are linked to water resources. Trees need water to grow and, at the same time, they change the quality and the quantity of runoff by modifying water and nutrient cycling. The understanding of the interactions between forest and water is fundamental to assess the consequences of natural and anthropogenic pressures, such as climate change and forest management, on the provision of forest products and services.
Due to the complexity of ecosystems, models are often used to understand the interactions between different system components under a changing environment. ForSAFE is a dynamic, mechanistic ecosystem model simulating the storage and fluxes of chemical elements in forest... (More)
Forests provide multiple products and services which are all are linked to water resources. Trees need water to grow and, at the same time, they change the quality and the quantity of runoff by modifying water and nutrient cycling. The understanding of the interactions between forest and water is fundamental to assess the consequences of natural and anthropogenic pressures, such as climate change and forest management, on the provision of forest products and services.
Due to the complexity of ecosystems, models are often used to understand the interactions between different system components under a changing environment. ForSAFE is a dynamic, mechanistic ecosystem model simulating the storage and fluxes of chemical elements in forest ecosystems. It was developed to better understand the effects of environmental changes on the chemistry of forest biomass, soil and soil water at the forest plot level.
The first two studies in this thesis are examples of the application of ForSAFE in forest stands in Southern Sweden. The model is used to simulate the effects of anthropogenic and natural disturbances on different ecosystem indicators, including indicators of soil water quality. The studies show that nutrient leaching below the rooting zone is positively related to the nutrient availability at the site, soil disturbances and the amount of organic material left in the forest after tree felling or a storm. Both types of disturbance produce a temporary increase of the acidity of the soil solution, but long-term effects where not predicted by the model. Compared to harvesting, a higher nutrient release in the soil solution can occur after storms due to root lifting causing increased mineralisation, a larger amount of biomass left at the site due to technical and economic constraints and larger canopy openings. In addition, sea-salt episodes can increase the acidity of the soil solution in the first years after the storm. When considering other ecosystem services, trade-offs can exist between the reduction of nutrient loads in the soil solution and the accumulation of carbon in the forest.
The conclusions drawn from the application of ForSAFE at the forest plot level are valid for the soil water chemistry in the unsaturated zone. In this thesis, an effort has been made to expand the model simulations from the plot to the hillslope scale to understand how forest ecosystems can affect the chemistry of the streams. A new hydrology concept was integrated in ForSAFE-2D that simulates two-dimensional flows of water and chemical elements from the forest to the stream.
ForSAFE-2D allows a better representation of the moisture content by simulating an increasing water saturation level in deeper soil layers and towards the stream. The simulated transport of a tracer along a hillslope shows that the model is capable of capturing the average concentrations of the tracer in the stream. This capability is based on a correct representation of the long-term average runoff and of tracer concentrations in the soil solution.
The results also highlight some of the issues that should be addressed by follow-up research studies. The partitioning of water between base flow and peak flows suggests that the simulation of flow paths by ForSAFE-2D should be re-evaluated. A correct representation of flow paths will be crucial when simulating the transport of elements or compounds which change concentration with depth or distance from the stream (e.g. dissolved organic matter). In addition, the effects of saturation on weathering, as well as decomposition, show that the regulation of these processes at increasing moisture contents should be updated. Finally, the process regulating the allocation of carbon and nutrients to foliage should be revised to increase the share of foliage in the tree biomass and thereby correct the simulation of evapotranspiration. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
supervisor
opponent
  • Dr. Fölster, Jens, Swedish University of Agricultural Sciences (SLU), Uppsala
organization
alternative title
Modellering av näringstransport från skogsekosystem till ytvatten
publishing date
type
Thesis
publication status
published
subject
keywords
forest, dynamic modelling, hydrology, biogeochemistry, ecosystem service
pages
131 pages
publisher
Lund University, Faculty of Science, Department of Physical Geography and Ecosystem Science
defense location
Geocentre II, lecture hall “Pangea”, Sölvegatan 12, Lund
defense date
2016-12-15 10:00
ISBN
978-91-85793-67-9
978-91-85793-68-6
language
English
LU publication?
yes
id
285ed247-9202-4929-92f7-2c893d3112fb
date added to LUP
2016-11-11 12:45:18
date last changed
2016-11-23 10:42:47
@phdthesis{285ed247-9202-4929-92f7-2c893d3112fb,
  abstract     = {Forests provide multiple products and services which are all are linked to water resources. Trees need water to grow and, at the same time, they change the quality and the quantity of runoff by modifying water and nutrient cycling. The understanding of the interactions between forest and water is fundamental to assess the consequences of natural and anthropogenic pressures, such as climate change and forest management, on the provision of forest products and services.<br/>Due to the complexity of ecosystems, models are often used to understand the interactions between different system components under a changing environment. ForSAFE is a dynamic, mechanistic ecosystem model simulating the storage and fluxes of chemical elements in forest ecosystems. It was developed to better understand the effects of environmental changes on the chemistry of forest biomass, soil and soil water at the forest plot level.<br/>The first two studies in this thesis are examples of the application of ForSAFE in forest stands in Southern Sweden. The model is used to simulate the effects of anthropogenic and natural disturbances on different ecosystem indicators, including indicators of soil water quality. The studies show that nutrient leaching below the rooting zone is positively related to the nutrient availability at the site, soil disturbances and the amount of organic material left in the forest after tree felling or a storm. Both types of disturbance produce a temporary increase of the acidity of the soil solution, but long-term effects where not predicted by the model. Compared to harvesting, a higher nutrient release in the soil solution can occur after storms due to root lifting causing increased mineralisation, a larger amount of biomass left at the site due to technical and economic constraints and larger canopy openings. In addition, sea-salt episodes can increase the acidity of the soil solution in the first years after the storm. When considering other ecosystem services, trade-offs can exist between the reduction of nutrient loads in the soil solution and the accumulation of carbon in the forest.<br/>The conclusions drawn from the application of ForSAFE at the forest plot level are valid for the soil water chemistry in the unsaturated zone. In this thesis, an effort has been made to expand the model simulations from the plot to the hillslope scale to understand how forest ecosystems can affect the chemistry of the streams. A new hydrology concept was integrated in ForSAFE-2D that simulates two-dimensional flows of water and chemical elements from the forest to the stream.<br/>ForSAFE-2D allows a better representation of the moisture content by simulating an increasing water saturation level in deeper soil layers and towards the stream. The simulated transport of a tracer along a hillslope shows that the model is capable of capturing the average concentrations of the tracer in the stream. This capability is based on a correct representation of the long-term average runoff and of tracer concentrations in the soil solution.<br/>The results also highlight some of the issues that should be addressed by follow-up research studies. The partitioning of water between base flow and peak flows suggests that the simulation of flow paths by ForSAFE-2D should be re-evaluated. A correct representation of flow paths will be crucial when simulating the transport of elements or compounds which change concentration with depth or distance from the stream (e.g. dissolved organic matter). In addition, the effects of saturation on weathering, as well as decomposition, show that the regulation of these processes at increasing moisture contents should be updated. Finally, the process regulating the allocation of carbon and nutrients to foliage should be revised to increase the share of foliage in the tree biomass and thereby correct the simulation of evapotranspiration.},
  author       = {Zanchi, Giuliana},
  isbn         = {978-91-85793-67-9},
  keyword      = {forest,dynamic modelling,hydrology,biogeochemistry,ecosystem service},
  language     = {eng},
  pages        = {131},
  publisher    = {Lund University, Faculty of Science, Department of Physical Geography and Ecosystem Science},
  school       = {Lund University},
  title        = {Modelling nutrient transport from forest ecosystems to surface waters : The model ForSAFE-2D},
  year         = {2016},
}