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Assessment of forest functionality and the effectiveness of forest management and certification

Bewertung der Funktionstüchtigkeit von Waldökosystemen und Wirksamkeit von Waldbewirtschaftung und Zertifizierung

  • Forest ecosystems are complex systems that develop inherent structures and processes relevant for their functioning and the provisioning of ecosystem services that contribute to human wellbeing. So far, forest management focused on timber production while other services were less rewarded. With increasing climate change impacts, especially regulating ecosystem services such as microclimate regulation are ever more relevant to maintain forest functions and services. A key question is how forest management supports or undermines the ecosystems’ capacity to maintain those functions and services. Forest management implies silvicultural interventions such as thinning and timber harvesting and ranges from single tree extraction to large clearcuts as well as forest reserves without active forest operations and shape the character of forest ecosystems (e.g. natural versus planted forests). Artificial plantings, monocultures and management for economic timber production simplify forest structures and impair ecosystem resilience, resistance and the existence of forests but also the services essential for the prosperity and health of humanity. Efforts to reduce the negative impacts and attempts to safeguard forest functions are manifold and include compulsory national and international guidelines and regulations for forest management, conventions, but also voluntary mechanisms such as certification systems. The main objective of this thesis was the development of a concept to assess the functionality of forests and to evaluate the effectiveness of forest ecosystem management including certification. An ecosystem-based and participatory methodology, named ECOSEFFECT, was developed. The method comprises a theoretical and an empirical plausibility analysis. It was applied to the Russian National FSC Standard in the Arkhangelsk Region of the Russian Federation – where boreal forests are exploited to meet Europe's demand for timber. In addition, the influence of forestry interventions on temperature regulation in Scots pine and European beech forests in Germany was assessed during two extreme hot and dry years in 2018 and 2019. Microclimate regulation is a suitable proxy for forest functionality and can be applied easily to evaluate the effectiveness of forest management in safeguarding regulating forest functions relevant under climate change. Microclimate represents the most decisive factor differentiating clearcuts and primary forests. Thus, the assessment of forest microclimate regulation serves as convenient tool to illustrate forest functionality. In the boreal and temperate forests studied in the frame of this thesis, timber harvesting reduced the capacity to self-regulate forests’ microclimate and thus impair a crucial part of ecosystem functionality. Changes in structural forest characteristics influenced by forest management and silviculture significantly affect microclimatic conditions and therefore forest ecosystems’ vulnerability to climate change. Canopy coverage and the number of cut trees were most relevant for cooling maximum summer temperature in pine and beech forests in northern Germany. Maximum temperature measured at ground level increased by 0.21 – 0.34 K when 100 trees were cut. Opening the forest canopy by 10 % caused an increase of maximum temperature at ground-level by 0.53 K (including pine and beech stands). Relative temperature cooling capacity decreased with increasing wood harvest activities and dropped below average values when more than 656 trees per hectare (in 2018; and 867 trees in 2019) were felled. In pine stands with a canopy cover below 82 % the relative temperature buffering capacity was lower than the average. Mean maximum temperature measured at ground-level and in 1.3 m was highest in a pine-dominated sample plots with relatively low stand volume (177 m3 ha-1) and 9 K lower in a sample plot with relatively high stock volumes of F. sylvatica (> 565 m3 ha-1). During the hottest day in 2019, the difference in temperature peaks was more than 13 K for pine-dominated sample plots with relatively dense (72 %) and low (46 %) canopy cover. The Russian FSC standard has the potential to improve forest management and ecological outcomes, but there are shortcomings in the precision of targeting actual problems and ecological commitment. In theory, FSC would transform forest management practices and induce positive changes and effective outcomes by addressing 75 % of the identified contributing factors including highly relevant factors and threats including large-scale (temporary) tree cover loss, which contributes to reducing about half of the identified stresses in the ecosystem. It is theoretically plausible that FSC prevents logging in high conservation value forests and intact forest landscapes, reduces the size and number of clearcuts, and prevents hydrological changes in the landscape. However, the standard was not sufficiently explicit and compulsory to generate a strong and positive influence on the identified problems and their drivers. Moreover, spatial data revealed, that the typical regular clearcut patterns of conventional timber harvesting continue to progress into the FSC-certified boreal forests, also if declared as ‘Intact Forest Landscape’. This results in the need to verify the assumptions and postulates on the ground as it remains unclear and questionable if functions and services of boreal forests are maintained when FSC-certified clearcutting continues. On the clearcuts, maximum temperature exceeded 36 °C and stayed below 30 °C in the closed primary forest. The number of days with temperatures above 25 °C at least doubled on clearcuts. Temperature cooling capacity was reduced by up to 14 % and temperature buffering capacity up to 60 %. The main reason why FSC-certified clearcuts do not differ from conventional clearcuts is that about 97 % of trees within equally large clearcut sites of up to 50 ha were removed. The spatial design of clearcuts, their size and the intensity of clearing as well as the density of skidding trails for timber extraction was not positively influenced by FSC-certification. Annual tree cover loss was lowest in non-certified areas. This means, that FSC may even contribute to an increased biomass removal within the clearcuts, which compromises the ecosystems’ capacity to recover and maintain ecological functions and services. The analysis of satellite-based data on tree cover loss showed that clearcutting causes secondary dieback in the surrounding of the cleared area. FSC-certification does not prevent the various negative impacts of clearcutting and thus fails to safeguard ecosystem functions. The postulated success in reducing identified environmental threats and stresses, e. g. through a smaller size of clearcuts, could not be verified on site. The empirical assessment does not support the hypothesis of effective improvements in the ecosystem. In practice, FSC-certification did not contribute to change clearcutting practices sufficiently to effectively improve the ecological performance. Sustainability standards that are unable to translate principles into effective outcomes fail in meeting the intended objectives of safeguarding ecosystem functioning. Clearcuts that carry sustainability labels are ecologically problematic and ineffective for the intended purpose of ecological sustainability. The overexploitation of provisioning services, i.e. timber extraction, diminishes the ecosystems’ capacity to maintain other services of global significance. It also impairs ecosystem functions relevant to cope with and adapt to other stresses and disturbances that are rapidly increasing under climate change. Forest management under climate change needs to apply precautionary principles and reduce further ecological risks such as secondary dieback and deterioration of regulating services that are relevant for the functioning of forests. Forest managers have to avoid ecological disimprovements by applying strict ecological principles with effective outcomes in order to maintain functional forests that regulate their own microclimate also as a basis for sustainable economic benefits.
  • Wälder sind komplexe Ökosysteme, die mit zunehmendem Wachstum und Entwicklung diverse inhärente Strukturen und Prozesse ausprägen, die für ihre Funktionstüchtigkeit und die Bereitstellung von Ökosystemleistungen relevant sind und auch zum menschlichen Wohlergehen beitragen. Bislang war die Waldbewirtschaftung hauptsächlich auf die Maximierung der Holzproduktion ausgerichtet, wobei andere ökosystemare Leistungen weniger honoriert wurden. Mit zunehmendem Klimawandel werden insbesondere regulierende Ökosystemleistungen, wie z. B. die Regulation des Mikroklimas immer relevanter, um die Funktionen und Leistungen des Waldes dauerhaft zu gewährleisten. Eine zentrale Frage dabei ist, wie Waldbewirtschaftung die Fähigkeit der Ökosysteme diese Funktionen und Leistungen aufrecht zu erhalten, unterstützt oder untergräbt. Das Management von Wäldern umfasst waldbauliche Eingriffe wie Durchforstung, Auflichtung und Holzernte und reicht von der Entnahme einzelner Bäume bis hin zu mehr oder weniger großen Kahlschlägen, bedeutet aber auch Waldreservate ohne aktive Waldbewirtschaftung. Die Waldbewirtschaftung, aber auch die Art der Bestandesbegründung beeinflusst die Strukturen und damit die Eigenschaften von Waldökosystemen. Künstliche Anpflanzungen, Monokulturen und waldbauliche Bewirtschaftung simplifizieren die Waldstrukturen und beeinträchtigen damit die Resistenz, Resilienz und Existenz von Wäldern, aber auch die Bereitstellung der für die Menschheit überlebenswichtigen Ökosystemleistungen. Bemühungen, die negativen Auswirkungen zu reduzieren und die Waldfunktionen längerfristig zu sichern, sind vielfältiger Natur und umfassen verbindliche nationale und internationale Richtlinien sowie Regelwerke zur Waldbewirtschaftung, Konventionen, aber auch freiwillige Mechanismen wie Zertifizierungssysteme. Das Hauptziel dieser Arbeit ist die Entwicklung eines Konzepts zur Beurteilung der Funktionstüchtigkeit von Wäldern und zur Bewertung der Wirksamkeit von Waldökosystemmanagement und Zertifizierung. In diesem Zusammenhang wurde eine ökosystembasierte und partizipative Methodik entwickelt, die den Namen ECOSEFFECT trägt. Diese Methode umfasst eine theoretische und eine empirische Plausibilitätsanalyse, die zur Beurteilung und Bewertung des russischen FSC-Standards in der Region Archangelsk der Russischen Föderation eingesetzt wurde - dort wo boreale Wälder großflächig kahlgeschlagen werden, um die europäische Nachfrage nach Holz zu decken. Zusätzlich wurde der Einfluss von forstwirtschaftlichen Eingriffen auf die Temperaturregulation von Kiefern- und Rotbuchenwäldern in Deutschland während zweier extrem heißer und trockener Sommer in den Jahren 2018 und 2019 untersucht. Die Regulation des Mikroklimas ist ein geeigneter Proxy für die Funktionstüchtigkeit von Wälder und kann zur Bewertung der Effektivität von Waldbewirtschaftung angewendet werden. Mikroklima stellt den entscheidenden Indikator dar, der Kahlschläge von Primärwäldern unterscheidet. Damit ist die Bewertung der Mikroklimaregulation von Wäldern ein geeignetes Instrument zur Darstellung der Waldfunktionalität. In den borealen und gemäßigten Wäldern, die im Rahmen dieser Arbeit untersucht wurden, hat die Holzernte die Fähigkeit zur Selbstregulierung des Waldmikroklimas reduziert und damit die Funktionstüchtigkeit des Ökosystems beeinträchtigt. Waldstrukturen die durch die Waldbewirtschaftung und den Waldbau beeinflusst werden, wirken sich erheblich auf die mikroklimatischen Bedingungen und damit auf die Anfälligkeit des Ökosystems gegenüber dem Klimawandel aus. Der Kronenschlussgrad und die Anzahl der gefällten Bäume zeigten sich als die relevantesten Indikatoren, die Temperaturspitzen beeinflussen. Die in Bodennähe gemessene Maximaltemperatur stieg um 0,21 - 0,34 K wenn 100 Bäume gefällt wurden. Das Öffnen des Konendaches um 10 % verursachte einen Anstieg der Maximaltemperatur in Bodennähe um 0,53 K (gemessen in Kiefern- und Buchenbestände). Die relative Temperaturkühlkapazität nahm mit zunehmender Holzernteaktivität ab und fiel unter den Durchschnittswert, wenn mehr als 656 Bäume pro Hektar (im Jahr 2018; und 867 Bäume im Jahr 2019) gefällt wurden. In Kiefernbeständen mit einem Kronenschluss von weniger als 82 % war die relative Temperaturpufferkapazität geringer als der Durchschnitt. Die in Bodennähe und in 1,3 m gemessene mittlere Maximaltemperatur war in einer kieferdominierten Untersuchungsfläche mit relativ geringem Bestandsvolumen (177 m3 ha-1) am höchsten und in einer Buchenfläche mit relativ hohem Bestandsvolumen (> 565 m3 ha-1) um 9 K niedriger. Während des heißesten Tages im Jahr 2019 waren die Temperaturspitzen in einem Kiefernbestand mit relativ dichtem (72 %) Kronendach mehr als 13 K höher als in einem Kiefernbestand mit offenem (46 %) Kronendach. Der russische FSC-Standard hat das Potenzial, die Waldbewirtschaftung in Archangelsk zu verbessern, aber es gibt zahlreiche Ungenauigkeiten bei der Adressierung der tatsächlich identifizierten Probleme und bei der ökologischen Verbindlichkeit. Theoretisch könnte FSC die Waldbewirtschaftungspraktiken positive verändern und effektive Ergebnisse bewirken, indem 75 % der identifizierten Faktoren adressiert werden, darunter sehr relevante Faktoren und Bedrohungen für das Ökosystem, einschließlich der großflächigen Kahlschläge, was dazu beiträgt, etwa die Hälfte der identifizierten Probleme im Ökosystem zu reduzieren. Es ist theoretisch plausibel, dass FSC den Holzeinschlag in Wäldern mit hohem Schutzwert und intakten Wäldern (Intact Forest Landscapes) verhindert, die Größe und Anzahl der Kahlschläge reduziert und negative hydrologische Veränderungen in der Landschaft verhindert. Allerdings ist der russische FSC-Standard nicht explizit und verpflichtend genug, um einen starken und positiven Einfluss auf die identifizierten Probleme und deren Treiber zu erzeugen. Darüber hinaus haben die räumlichen Analysen gezeigt, dass die typischen regelmäßigen Kahlschlagsmuster der konventionellen Holzernte auch in den FSC-zertifizierten borealen Wäldern fortbestehen, auch wenn sie als "intakte Wälder" deklariert sind. Daraus ergibt sich die Notwendigkeit, die theoretischen Annahmen und Postulate vor Ort zu überprüfen, da es unklar und fraglich bleibt, ob die Funktionen und Leistungen der borealen Wälder erhalten bleiben, wenn der FSC-zertifizierte Kahlschlag weitergeht. Die empirische Untersuchung zeigt, dass auf den Kahlschlägen die Maximaltemperatur über 36 °C lag, während sie im geschlossenen Primärwald unter 30 °C blieb. Die Anzahl der Tage mit Temperaturen über 25 °C war Kahlschlägen mindestens doppelt so hoch. Die Temperaturkühlungskapazität wurde um bis zu 14 % und die Temperaturpufferkapazität um bis zu 60 % reduziert. FSC-zertifizierte Kahlschläge unterscheiden sich vor allem deshalb nicht von konventionellen Kahlschlägen, weil auf genauso auf Kahlschlagflächen von bis zu 50 ha Größe etwa 97 % der Bäume geerntet wurden. Die räumliche Gestaltung der Kahlschläge, ihre Größe und die Intensität der Rodung sowie die Dichte der Holz-Rückegassen wurden durch die FSC-Zertifizierung nicht reduziert. Die jährliche Abholzung war in nicht-zertifizierten Gebieten am geringsten. Das bedeutet, dass FSC möglicherweise sogar zu einem erhöhten Holzbiomasseverlust innerhalb der Kahlschläge beiträgt, was die Fähigkeit der Ökosysteme, sich zu erholen und ökologische Funktionen und Leistungen zu aufrecht zu erhalten, beeinträchtigt. Die satellitenbildbasierte Analyse zum Verlust der Baumbedeckung zeigte, dass Kahlschläge ein sekundäres Absterben in der Umgebung der gerodeten Fläche verursachen. Eine FSC-Zertifizierung verhindert die verschiedenen negativen Auswirkungen des Kahlschlags nicht und versagt somit bei der Sicherung der Ökosystemfunktionen. Der postulierte Erfolg bei der Reduktion von ökosystemaren Bedrohungen, z. B. durch eine geringere Größe von Kahlschlägen, konnte vor Ort nicht verifiziert werden. Die empirische Untersuchung widerlegt die Hypothese einer effektiven Verbesserung im Ökosystems. In der Praxis hat die FSC-Zertifizierung nicht dazu beigetragen, die Kahlschlagpraktiken ausreichend zu verändern, um die ökologischen Indikatoren wirkungsvoll zu verbessern. Nachhaltigkeitsstandards, die nicht in der Lage sind, Prinzipien in wirksame Maßnahmen mit messbaren positiven Ergebnissen umzusetzen, scheitern darin, die Funktionsfähigkeit des Ökosystems zu sichern. Zertifizierte Kahlschläge, die ein Nachhaltigkeitssiegel tragen, sind ökologisch problematisch und für den beabsichtigten Zweck Ökosystemfunktionen zu schützen, unwirksam. Die vorwiegende Nutzung von Wäldern primär zur Holzgewinnung vermindert die Fähigkeit der Ökosysteme, andere (v. a. regulierende) Leistungen, von globaler Bedeutung aufrechtzuerhalten. Sie beeinträchtigt die Ökosystemfunktionen, die für die Bewältigung und Anpassung an andere Belastungen und Störungen relevant sind, die im Zuge des Klimawandels häufiger und extremer werden. Eine Waldbewirtschaftung unter Einfluss des Klimawandels muss Vorsorgeprinzipien einhalten und entsprechende ökologische Risiken, wie z. B. sekundäre Absterbeerscheinungen und die Verschlechterung von Regulationsleistungen, die für die Funktion des Waldes relevant sind, reduzieren und vermeiden. Waldbewirtschafter und Waldbesitzer müssen strenge ökologische Prinzipien anwenden, um funktionsfähige Wälder mit einer ausgeprägten mikroklimatische Regulationsfähigkeit zu erhalten und zu befördern, um Zustandsverschlechterungen entgegenzuwirken, auch als Grundlage für eine nachhaltige wirtschaftliche Nutzung.

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Author:Jeanette Silvin BlumröderORCiDGND
URL: https://pub-data.leuphana.de/frontdoor/index/index/docId/1209
Advisor:Pierre Ibisch (Prof. Dr. Dr. h.c.)
Referee:Pierre Ibisch (Prof. Dr. Dr. h.c.)ORCiDGND, Werner Härdtle (Prof. Dr.)ORCiDGND, Hans Dieter Knapp (Prof. em. Dr.)GND
Document Type:Doctoral Thesis
Year of Completion:2021
Date of Publication (online):2021/12/14
Date of first Publication:2021/12/14
Publishing Institution:Leuphana Universität Lüneburg, Universitätsbibliothek der Leuphana Universität Lüneburg
Granting Institution:Leuphana Universität Lüneburg
Date of final exam:2021/07/16
Contributing Corporation:Hochschule für nachhaltige Entwicklung Eberswalde (HNEE)
Release Date:2021/12/14
Gleichzeitig genehmigte Promotion der Hochschule für nachhaltige Entwicklung Eberswalde (HNEE), Centre for Econics and Ecosystem Management. -
Das Rahmenpapier der kumulativen Dissertation enthält 4 Fachartikel
Institutes:Fakultät Nachhaltigkeit / Institut für Ökologie (IE)
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 57 Biowissenschaften; Biologie / 577 Ökologie
5 Naturwissenschaften und Mathematik / 58 Pflanzen (Botanik) / 581 Einzelne Themen in der Naturgeschichte
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