Impact of forest management and climate change in 3 European forests

Forests represent about the 90% of global biomass of carbon and the capability of plants to fixed carbon from atmospheric CO2 via photosynthesis is influenced by competitive interaction for light, water and nutrient. The competition can be regulated by the stand dynamics and the terms to describe interactions are: plant species, tree sizes, age distribution, spatial (vertical and horizontal) arrangement and tree canopy layering. The main silvicultural practices (e.g. thinning, harvest and replanting) heavily affect the stand structure and influence the nutrient cycling, decomposition rates, regeneration patterns, but also on stand structure dynamics. Due to the long lifespan of forest stands and lack in experiment covering such long time period, a very useful tool to understand the effect of silvicultural practices on stand structure and carbon dynamic are the forest models. The forest models involve the abstraction of real forest dynamics in a conceptual environment which allows the systems behavior to be reproduced. The models are the only tool for estimating the effect of such different types of silvicultural practices under current climate as well as under future climate change scenarios. To simulate the effects of different management practices and climate change on Standing Woody Biomass (SWB) we apply the model 3D-CMCC-CNR FEM (v.5.4 BGC) at three different even-aged, managed, European forests: an adult (80 years old) Danish temperate European beech forest (Fagus sylvatica L.; Sorø); a moderately young (28 years old) Finnish boreal Scots pine forest (Pinus sylvestris L.; Hyytiälä) and a young (16 years old) Czech temperate-humid Norway spruce forest (Picea abies Karst.; Bílý K?í?). The study sites were selected because the three species are representative of the most common types of European deciduous and coniferous species and involved into the Inter-Sectoral Impact Model Intercomparison (ISIMIP) Project. To estimate climate change effects the simulations consider a subset of climate change scenarios data (ESM: HadGEM2-ES; RCP 2.6 and RCP 8.5) from the ISIMIP Fast Track initiative (https://www.isimip.org, Warszawski et al., 2014). We simulate the business-as-usual (BAU) management and different thinning and harvesting regimes and their combination ( rotation BAU +/- 10 years; thinning interval BAU +/- 5 years; thinning intensity BAU +/- 10%) plus the "unmanaged" forest. The effect of climate change was simulated for a period of about 100 years (1997-2099) and the total runs for each sites was about 56 (3 rotation * 3 thinning interval * 3 thinning intensity * 2 RCP plus 2 RCP in "unmanaged" forest). The simulations of different management practices under current climate condition can help the stakeholders to increase the knowledge of ecosystem response to human activity and to establish the effect of their decision in the carbon cycle and the biomass in the short period. The simulations under climate change can suggest the effects of the management in the maintain, reduce or increase the sink/source service of forest in the medium and long period. The changes in regimes of thinning, harvest and thinning intensity are mandatory to the sustainable forests and to increase the quality and increments of the woody biomass increments.

Le foreste rappresentano circa il 90% della biomassa globale di carbonio e la capacità delle piante di fissare il carbonio dalla CO2 atmosferica attraverso la fotosintesi è influenzata dall'interazione competitiva per la luce, l'acqua e le sostanze nutritive. La competizione può essere regolata dalla dinamica del popolamento e i termini per descrivere le interazioni sono: specie vegetali, dimensioni degli alberi, distribuzione per età, disposizione spaziale (verticale e orizzontale) e stratificazione della chioma degli alberi. Le principali pratiche selvicolturali (diradamento, raccolta e reimpianto) influenzano pesantemente la struttura del popolamento e il ciclo dei nutrienti, i tassi di decomposizione, i modelli di rigenerazione, ma anche la dinamica della struttura del popolamento. A causa della lunga durata di vita dei popolamenti forestali e della mancanza di esperimenti che coprano un periodo così lungo, uno strumento molto utile per comprendere l'effetto delle pratiche selvicolturali sulla struttura dei popolamenti e sulla dinamica del carbonio sono i modelli forestali. I modelli forestali prevedono l'astrazione delle dinamiche forestali reali in un ambiente concettuale che permette di riprodurre il comportamento dei sistemi. I modelli sono l'unico strumento per stimare l'effetto di questi diversi tipi di pratiche selvicolturali sul clima attuale e sui futuri scenari di cambiamento climatico. Per simulare gli effetti delle diverse pratiche di gestione e dei cambiamenti climatici sulla biomassa legnosa in piedi (SWB) e sugli incrementi è stato applicato il modello 3D-CMCC-CNR FEM (v.5.4 BGC) in tre diverse foreste europee coetanee gestite: una faggeta danese (Fagus sylvatica L.; Sorø) adulta (80 anni); una foresta finlandese di pino silvestre (Pinus sylvestris L.; Hyytiälä) moderatamente giovane (28 anni) e una foresta ceca di abete rosso (Picea abies Karst.; Bílý K?í?) giovane (16 anni). I siti di studio sono stati selezionati in quanto le tre specie sono rappresentative dei tipi più comuni di specie di latifoglie e di conifere europee e partecipano al progetto di confronto intersettoriale di modello di impatto (ISIMIP). Per stimare gli effetti dei cambiamenti climatici le simulazioni prendono in considerazione un sottoinsieme di dati sugli scenari dei cambiamenti climatici (ESM: HadGEM2-ES; RCP 2.6 e RCP 8.5) tratti dall'iniziativa ISIMIP Fast Track (https://www.isimip.org, Warszawski et al., 2014). Si simulano la gestione business-as-usual (BAU) e diversi regimi di diradamento e raccolta e la loro combinazione (rotazione BAU + / - 10 anni; intervallo di diradamento BAU + / - 5 anni; intensità di diradamento BAU + / - 10%) più la foresta "non gestita". L'effetto del cambiamento climatico è stato simulato per un periodo di circa 100 anni (1997-2099) e la tiratura totale per ciascun sito è stata di circa 56 (3 rotazioni * 3 intervalli di assottigliamento * 3 intensità di assottigliamento * 2 RCP più 2 RCP in foresta "non gestita"). Le simulazioni di diverse pratiche di gestione in condizioni climatiche attuali possono aiutare le parti interessate ad aumentare la conoscenza della risposta degli ecosistemi alle attività umane e a stabilire l'effetto delle loro decisioni sul ciclo del carbonio e sulla biomassa nel breve periodo. Le simulazioni sotto il cambiamento climatico possono suggerire gli effetti della gestione nel mantenere, ridurre o aumentare il servizio di bacino di assorbimento / fonte di foresta nel medio e lungo periodo. I cambiamenti nei regimi di diradamento, di raccolta e di intensità di diradamento sono obbligatori per le foreste sostenibili e per aumentare la qualità e gli incrementi della biomassa legnosa.