Forest Vulnerability and Carbon Sequestration in a Changing Climate

Abstract

Forests represent one of the largest terrestrial carbon sinks on earth, while also providing renewable resources and other important ecosystem services. Like many of the earths ecosystems forests are under threat from climate change. Increasing temperatures, precipitation variability and extreme events threaten forest ecosystems, and could lead to a reduction in carbon stocks. Forests also provide an array of other ecosystem services that could all be equally under threat. As efforts increase to limit the extent of climate change, forests are seen as an opportunity to sequester and store carbon. Carbon can be stored both in forest biomass, as well as in harvested wood products. Harvested wood products also offset carbon by way of substitution of more carbon intensive products.

As policy aims to achieve carbon neutrality, forests can be one of the important nature based solutions to compensate for unavoidable emissions and contribute to the bio-economy. However, these two goals seem to contradict each other, as implementing more forest conservation to increased forest carbon leads to less wood availability. In order to achieve the optimum use of forest resources, all stakeholders need accurate information on the carbon offset potential of various management approaches. These choices are also affected by climate change. As the negative effects of climate change progress, forest stocks are under threat. It is therefore also necessary to assess the vulnerability of tree species and the resilience of current forests to climate change.

In Europe, forest mortality is already on the rise, with the years 2018-2020 seeing extensive mortality from drought stress and insect outbreaks. Such extremes are likely to become more frequent in the future. We must therefore understand how forests can keep on playing an active role in the provision of carbon sequestration as well as other ecosystem services in the future, all while under threat from climatic changes.

In the first chapter of this thesis, we examine how potential carbon offsets of managed forests differ under different management scenarios. This was done using a forest growth and wood product life cycle analysis model for carbon, including material and energetic substitution. We found that harvested wood products and their associated substitution effects more than compensate for the losses that occurred during harvest. It is also apparent that, viewing a forest primarily as a carbon reservoir to be conserved, overlooks the facts that a reduction of harvest leads to the replacement of wood products with more energy intensive materials. This would result in higher overall CO2 emissions. However, an age-based approach in forest conservation, setting aside old-growth trees for conservation while utilizing younger trees, combines the increase in forest carbon, with the offsets from wood products and substitution more effectively thus achieving an optimal reduction of atmospheric CO2 concentration while also protecting biodiversity and other ecosystem services.

In the following chapter, we analyse tree species vulnerability to climatic extremes using climate envelopes. We use Europe wide presence-absence data together with both historical and future climate scenarios to calculate climate envelopes and use these to measure the frequency and intensity of envelope exceedances. By combining the climate envelope approach with data showing seasonal climatic variation climatic extremes, we open up a new perspective on the climate vulnerability of tree species. Here we find that although spruce is at the forefront of these vulnerabilities, other species such as beech and pine are only slightly less vulnerable. This approach opens up a completely new perspective on the possible future development of forests, which requires a substantial rethink in terms of tree species adaptability and the risks to forests associated with climate change.

In the third and final chapter, we expand the envelope exceedance approach from the second chapter into a risk map study. In order to include plant available moisture, we combine the aforementioned climate envelopes with topographic and soil hydrological data to create a risk map over the territory of Germany using an index based approach, for two different future climate scenarios. By taking soil hydrological aspects into account, we expand the application of climate envelopes thereby creating a new basis for risk analyses. Soil water availability has the potential to partially mitigate the effects of drought and rising temperatures. However, we found a large variation in climate related forest risks, with high risk values mostly throughout the hills of central Germany and the northeast of the Northern European plain, two areas with high forest cover.

We show in these partial results that the vitality of forests is on a critical development path. In order to protect forests, while benefiting from their use as a carbon sink and as a source of important natural resources, tree species recommendations must be reconsidered. Local conditions must also be given greater consideration and, in the future, silvicultural treatment of forests must be adapted to an increase in extreme temperature and precipitation events. Only then can we ensure the use of forests as carbon sinks. We must also balance the extraction of timber resources, with forest carbon storage while performing these climate adaptation measures, in order to ensure the timber supply to aid in the increasing decarbonisation of various industries.

Wälder stellen eine der größten terrestrischen Kohlenstoffsenken der Erde dar und liefern darüber hinaus erneuerbare Ressourcen und andere wichtige Ökosystemleistungen. Wie viele andere Ökosysteme der Erde sind auch die Wälder durch den Klimawandel bedroht. Steigende Temperaturen, schwankende Niederschlagsmengen und Extremereignisse bedrohen die Waldökosysteme und könnten zu einem Rückgang der Kohlenstoffvorräte führen. Wälder erbringen auch eine Reihe anderer Ökosystemleistungen, die alle gleichermaßen bedroht sein könnten. Angesichts der zunehmenden Maßnahmen, das Ausmaß des Klimawandels zu begrenzen, werden die Wälder als eine Möglichkeit gesehen, Kohlenstoff zu binden und zu speichern. Kohlenstoff kann sowohl in Waldbiomasse als auch in geernteten Holzprodukten gespeichert werden. Geerntete Holzprodukte kompensieren auch Kohlenstoff durch die Substitution von kohlenstoffintensiveren Produkten.

Da die Politik Kohlenstoffneutralität anstrebt, können Wälder eine der wichtigsten naturbasierten Lösungen sein, um unvermeidbare Emissionen auszugleichen und einen Beitrag zur Bioökonomie zu leisten. Diese beiden Ziele scheinen jedoch im Widerspruch zueinander zu stehen, da die Umsetzung von mehr Waldschutz zur Erhöhung des Waldkohlenstoffs zu einer geringeren Verfügbarkeit von Holz führt. Um eine optimale Nutzung der Waldressourcen zu erreichen, benötigen alle Beteiligten genaue Informationen über das Kohlenstoffausgleichspotenzial der verschiedenen Bewirtschaftungsansätze. Diese Entscheidungen werden auch durch den Klimawandel beeinflusst. In dem Maße, wie die negativen Auswirkungen des Klimawandels voranschreiten, sind die Waldbestände bedroht. Daher muss auch die Anfälligkeit der Baumarten und die Widerstandsfähigkeit der derzeitigen Wälder gegenüber dem Klimawandel bewertet werden.

In Europa nimmt die Waldsterblichkeit bereits zu, wobei in den Jahren 2018-2020 eine hohe Sterblichkeit durch Trockenstress und Insektenbefall zu verzeichnen ist. Solche Extreme werden in Zukunft wahrscheinlich noch häufiger auftreten. Wir müssen daher verstehen, wie die Wälder auch in Zukunft eine aktive Rolle bei der Kohlenstoffbindung und anderen Okosystemleistungen spielen können, obwohl sie durch klimatische Veränderungen bedroht sind.

Im ersten Kapitel dieser Arbeit wird untersucht, wie sich der potenzielle Kohlenstoffausgleich von bewirtschafteten Wäldern unter verschiedenen Bewirtschaftungsszenarien unterscheidet. Dies geschah mit Hilfe eines Modells zur Analyse des KohlenstoffLebenszyklus von Waldwachstum und Holzprodukten, einschließlich der Substitution von Materialien und Energieträgern. Wir haben festgestellt, dass geerntete Holzprodukte und die damit verbundenen Substitutionseffekte die Verluste, die bei der Ernte entstanden sind, mehr als ausgleichen. Es wird auch deutlich, dass die Betrachtung eines Waldes in erster Linie als Kohlenstoffreservoir, das es zu erhalten gilt, die Tatsache außer Acht lässt, dass eine Verringerung der Holzernte zum Ersatz von Holzprodukten durch energieintensivere Materialien führt. Dies würde insgesamt zu höheren CO2-Emissionen führen. Ein altersbezogener Ansatz zur Erhaltung der Wälder, bei dem alte Bäume für die Erhaltung beiseite gestellt werden, während jüngere Bäume genutzt werden, kombiniert den Anstieg des Waldkohlenstoffs mit dem Ausgleich durch Holzprodukte und die Substitution effektiver, wodurch eine optimale Verringerung der atmosphärischen CO2-Konzentration erreicht wird, während gleichzeitig die biologische Vielfalt und andere Okosystemleistungen geschützt werden.

Im folgenden Kapitel analysieren wir die Anfälligkeit von Baumarten gegenüber klimatischen Extremen anhand von Climate Envelopes. Wir verwenden europaweite Präsenz-Absenz-Daten zusammen mit historischen und zukünftigen Klimaszenarien, um Climate Envelope-kurven zu berechnen und diese zur Messung der Häufigkeit und Intensität von Envelope-überschreitungen zu nutzen. Durch die Kombination des Climate Envelopeansatzes mit Daten, die saisonale Klimaschwankungen und klimatische Extreme zeigen, eröffnen wir eine neue Perspektive auf die Klimaanfälligkeit von Baumarten. Dabei stellen wir fest, dass die Fichte zwar an der Spitze dieser Anfälligkeit steht, andere Arten wie Buche und Kiefer aber nur geringfügig weniger anfällig sind. Dieser Ansatz eröffnet eine völlig neue Perspektive auf die mögliche zukünftige Entwicklung der Wälder, die ein grundlegendes Umdenken in Bezug auf die Anpassungsfähigkeit der Baumarten und die mit dem Klimawandel verbundenen Risiken für die Wälder erfordert.

Im dritten und letzten Kapitel erweitern wir den Ansatz der Hüllkurvenüberschreitung aus dem zweiten Kapitel zu einer Riskmap analyse. Um die pflanzenverfügbare Feuchtigkeit einzubeziehen, kombinieren wir die oben erwähnten Klimahüllkurven mit topographischen und bodenhydrologischen Daten, um eine Risikokarte über das Gebiet Deutschlands mit einem indexbasierten Ansatz für zwei verschiedene zukünftige Klimaszenarien zu erstellen. Durch die Berücksichtigung bodenhydrologischer Aspekte erweitern wir die Anwendung von Klimahüllkurven und schaffen damit eine neue Grundlage für Risikoanalysen. Die Wasserverfügbarkeit im Boden hat das Potenzial, die Auswirkungen von Trockenheit und steigenden Temperaturen teilweise abzumildern. Wir haben jedoch eine große Variation bei den klimabedingten Waldrisiken festgestellt, mit hohen Risikowerten vor allem im mitteldeutschen Hügelland und im Nordosten der nordeuropäischen Ebene, zwei Gebieten mit hohem Waldanteil.

Wir zeigen in diesen Teilergebnissen, dass sich die Vitalität der Wälder auf einem kritischen Entwicklungspfad befindet. Um die Wälder zu schützen und gleichzeitig von ihrer Nutzung als Kohlenstoffsenke und als Quelle wichtiger natürlicher Ressourcen zu profitieren, müssen die Baumartenempfehlungen überdacht werden. Auch die lokalen Gegebenheiten müssen stärker berücksichtigt werden und die waldbauliche Behandlung der Wälder muss in Zukunft an die Zunahme von extremen Temperatur- und Niederschlagsereignissen angepasst werden. Nur so können wir die Nutzung der Wälder als Kohlenstoffsenken sicherstellen. Bei der Durchführung dieser Klimaanpassungsmaßnahmen müssen wir auch ein Gleichgewicht zwischen der Entnahme von Holzressourcen und der Kohlenstoffspeicherung im Wald herstellen, um die Holzversorgung für die zunehmende Dekarbonisierung verschiedener Industrien sicherzustellen.