Modeling nutrient cycling and sustainable forest growth in a changing world

Abstract

It took 70-80 years to realize the width of the impact of industrialization on the forest ecosystems since a forest ecosystem is a "slow system" as seen from a human perspective. An anticipated future climate change and increasing carbon dioxide and ozone levels will change the conditions even more with time and the widely used statistical forest growth models will not be applicable anymore. Computer-based, dynamic ecosystem models are needed to predict the long-term impacts of our present actions. Currently, these ecosystem models have had a tendency to be un-balanced in the level of details; either the vegetation or the soil is described in detailed, which is a major drawback. ForSAFE is a process-based forest ecosystem model system, consisting of four well-known sub-models, created to explore the impacts of climate change, changing air pollution and forest management on the vegetation, the soil and the nutrient cycling in a long-term sustainability perspective. In this thesis the modeling philosophy and the fundamental ideas behind the ForSAFE model system are presented. ForSAFE is developed using a system dynamics approach and is based on concepts of "natural sustainability" and "Liebig’s law of the minimum". The modeled system and its sub-models are explored by the use of system dynamics tools such as causal loop diagrams and feedback loop analysis. Simulation results from Swedish and German forests show that the integrated model is able to consider the influences of feedbacks between the vegetation and the soil under changing climate conditions. This suggests that ForSAFE is suitable as a tool for assessment of the influence of climate change, pollution change and forest management changes on forest sustainability.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract
Sveriges relativa välstånd kan vi till stor del tacka skogen för. Skogen har ända sedan industrialiseringen började ta fart i Sverige bidragit med betydande exportinkomster. För att bevara den inkomstkälla skogen utgör måste vi se till att det skogsbruk som bedrivs är uthålligt och tar hänsyn till såväl ekonomiska som biologiska och sociala aspekter. Skogsproduktionen ska med andra ord vara ekonomiskt bärkraftig samtidigt som trädhälsa, markbördighet och biologisk mångfald bevaras i kombination med att ökad hänsyn tas till användandet av skogen för rekreation, jakt, friluftsliv, bäroch svampplockning. Sedan industrialiseringen började i Europa under tidigt 1800-tal har vår miljö ständigt varit stadd i förändring. Ökade utsläpp av bl. a. koldioxid har bidragit till en klimatförändring som troligtvis bara har börjat, utsläpp av försurande ämnen och ämnen som bidrar till övergödning har gjort att förutsättningarna för skogsbruket förändrats radikalt. Det tog 70-80 år innan man insåg följderna av dessa förändringar, bl. a. beroende på att skogar är "tröga" system där stora förändringar tar långt tid. Oönskade förändringar som t. ex. försurning av skog och mark tar minst lika lång tid att återställa. Därför är det viktigt att vi skaffar oss verktyg för att kunna förutse följderna av vårt handlande och även för att kunna se vilka valmöjligheter vi har att påverka utvecklingen i den riktning vi vill. Denna typ av simuleringar av det framtida tillståndet i skogen kräver datorstödda matematiska modeller som både tar hänsyn både till hur skogen förändras över tiden och hur återkopplingar mellan olika delar av skogen fungerar, t. ex. mellan mark och träd. ForSAFE är en sådan modell som är utvecklad av Biogeokemigruppen vid Lunds tekniska högskola inom ramen för det MISTRA-finansierade forskningsprogrammet SUFOR (Sustainable Forestry in southern Sweden, uthålligt skogsbruk i södra Sverige). I denna avhandling presenteras ForSAFE och dess komponenter ur ett systemdynamiskt perspektiv samt de bakomliggande grundtankarna om uthållighet och modelleringsfilosofin. Avhandlingen visar också att ett systemdynamiskt´tankesätt och de olika modelleringsverktyg som står till buds inom systemdynamiken är utmärkta hjälpmedel när komplexa återkopplingssystem skall modelleras. Simuleringsresultat från en av Europas mest undersökta skogar i Solling, Tyskland visar att ForSAFE simulerar skogstillväxt och markkemi på ett mycket tillfredsställande sätt och att markens näringsförråd kan vara dåligt utnyttjat om enbart gran planteras. Simuleringsresultat från svenska skogar pekar på att framtida skogstillväxt kan komma att avta till följd av minskade näringsförråd i marken.

• author: Wallman, Patrik
• supervisor: Harald Sverdrup
• opponent: Dr. Beier, Claus, Denmark
• organization: LUCSUS (Lund University Centre for Sustainability Studies)
• publishing date: 2004
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Social Sciences Interdisciplinary
• keywords: nutrients, sustainability, ForSAFE, Chemical technology and engineering, forestry technology, forestry, Silviculture, system dynamics, forest growth models, dynamic modeling, Kemiteknik och kemisk teknologi, skogsbruk, skogsteknik, Skogsvetenskap
• pages: 219 pages
• defense location: Hörsal 111, Geocentrum 1, Sölvegatan 10, Lund Institute of Technology
• defense date: 2004-05-19 14:15:00
• ISBN: 91-628-6077-1
• language: English
• LU publication?: yes
• id: ac0d2449-7ce0-49c4-bc8f-8271d53d800d (old id 467008)
• date added to LUP: 2016-04-01 16:01:28
• date last changed: 2019-12-06 17:09:11