Optimal management of naturally regenerating uneven-aged forests

A shift from even-aged forest management to uneven-aged management practices leads to a problem rather different from the existing straightforward practice that follows a rotation cycle of artificial regeneration, thinning of inferior trees and a clearcut. A lack of realistic models and methods suggesting how to manage uneven-aged stands in a way that is economically viable and ecologically sustainable creates difficulties in adopting this new management practice. To tackle this problem, we make a two-fold contribution in this paper. The first contribution is the proposal of an algorithm that is able to handle a realistic uneven-aged stand management model that is otherwise computationally tedious and intractable. The model considered in this paper is an empirically estimated size-structured ecological model for uneven-aged spruce forests. The second contribution is on the sensitivity analysis of the forest model with respect to a number of important parameters. The analysis provides us an insight into the behavior of the uneven-aged forest model.Peer reviewe

Economics of naturally regenerating heterogeneous forests

An economic model for naturally regenerating, heterogeneous forests is specified to yield both clear-cuts and continuous cover forestry endogenously. The model includes nonconvexities and any number of state variables but is, in its simplest form, a one-state variable problem. Clear-cuts with various rotation lengths and continuous harvesting appear as locally optimal solutions. Necessary and sufficient conditions for the local and global optimality of these two forest management types are obtained. Discounting is found to increase rotation length and to favor continuous harvesting. Initial state may determine the optimality of continuous forest cover versus clear-cuts. The relative value of large trees is an important factor in the optimality of different solutions. Analytical results are demonstrated by an empirical application.Peer reviewe

Optimal carbon storage in mixed-species size-structured forests

We extend the study of economically optimal carbon storage to a previously unexplored forest type, mixed-species size-structured stands. The ecological model applied in the study is a transition matrix model with growth functions for boreal Norway spruce (Picea abies (L.) Karst.), birch (Betula pendula Roth and B. pubescens Ehrh.), and other broadleaves. The other broadleaved trees are assumed to have no commercial value. We maximize the sum of timber revenues and the value of carbon storage by optimizing the timing and intensity of thinnings and the potentially infinite rotation age. The optimization problem is solved in its general dynamic form using gradient-based interior point methods and a genetic algorithm. We present results for a mixed stand of Norway spruce and birch, and a mixed stand of Norway spruce, birch, and other broadleaves, and compare these to a pure Norway spruce stand. We show that carbon pricing increases stand volume by postponing harvests and limiting them to larger trees, and changes the optimal species composition by increasing the share of Norway spruce relative to birch. Further, carbon pricing incentivizes maintaining other broadleaves in the stand despite their lack of commercial value, thus increasing tree species diversity. We find that sawlog and total yields increase with carbon price. We show that the higher the number of tree species in a stand, the lower the marginal cost of carbon storage.Peer reviewe

Diameter-Limit Cutting and Silviculture in Northeastern Forests: A Primer for Landowners, Practitioners and Policymakers

https://digitalcommons.library.umaine.edu/fac_monographs/1113/thumbnail.jp

Shortleaf Pine-Hardwood Mixture Establishment and Release in Two Physiographic Regions of Tennessee

Shortleaf pine (Pinus echinata Mill.)-hardwood forest types have been declining in area across shortleaf pine’s native range for at least forty years. Interest in restoring this forest type has increased in recent years, yet knowledge on restoration of mixed shortleaf pine-hardwood forests is limited. The objectives of this study were to investigate five site preparation or release treatments at two sites using different silvicultural systems and their effects on artificially regenerated shortleaf pine (due to the lack of a seed source) and naturally regenerated woody species. The first study investigated establishment and development of even-aged, mixed shortleaf pine-hardwood forests on the Highland Rim physiographic province of Tennessee, whereas the second study investigated establishment and development of two-aged mixed shortleaf pine-hardwood forests after a partial harvest in the Cumberland Mountains physiographic province of Tennessee. At the Highland Rim Site, shortleaf pine was planted at two wide spacings (12x12 and 18x18 ft.) to allow natural regeneration development among the planted pines. Treatments tested included: herbicide and burn (brown-and-burn), burn, herbicide, strip-burn, and a control. Three years after study establishment, statistical differences among treatments occurred for shortleaf pine survival, basal diameter, and height. Survival was greatest in the herbicide treatment and height and basal diameter growth were greatest in the brown-and-burn treatment. Natural regeneration stem densities reflected the intensity of the treatment, and no differences in height were detected. Invasive species such as privet and callery pear were prevalent in most treatments. At the Cumberland Mountains site, shortleaf pine was planted in clusters within canopy gaps at narrow spacings. Treatments investigated at this site included: brown-and-burn, burn, herbicide, scarification, and a control. Two years after planting, no treatment differences were observed for shortleaf pine survival or basal diameter growth, yet seedlings in the scarification treatment were significantly taller than those in the other treatments. Statistical differences for natural regeneration stem densities among treatments were found for cluster interiors, yet not for cluster exteriors. Woody shrubs were prevalent in the regeneration with a minor component of desirable oak species. Both management scenarios offer promise for reintroducing shortleaf pine as a component of mixed stands

Puuntuotannon kannattavuuteen vaikuttavat tekijät jatkuvapeitteisessä metsänkasvatuksessa

Tässä katsauksessa käydään läpi jatkuvapeitteisen metsänkasvatuksen kannattavuutta pohjoismaisissa oloissa käsitteleviä tutkimuksia. Aihetta on tutkittu runsaasti viime vuosikymmenen aikana. Tavoitteena on luoda kokonaisvaltainen kuva tehdystä tutkimuksesta ja tunnistaa jatko­tutkimustarpeita. Jatkuvapeitteisen kasvatuksen kannattavuutta on analysoitu käyttäen malli­laskelmia, joissa metsän kasvua kuvaavat mallit on yhdistetty taloudelliseen kuvaukseen metsän käsittelyistä. Laskelmissa käytetyt kasvu- ja tuotosmallit perustuvat kenttäkokeissa mitattuihin havaintoihin. Jatkuvapeitteisen kasvatuksen mallinnuksen tietopohja on huomattavan niukka verrattuna jaksollisen kasvatuksen koealamittausten määrään ja ajalliseen kattavuuteen. Talou­delliset tekijät vaikuttavat ratkaisevasti siihen, miten kannattavaa jatkuvapeitteinen kasvatus on suhteessa jaksolliseen kasvatukseen. Esimerkiksi alhainen korkokanta ja pienet uudistamiskustannukset suosivat jaksollista kasvatusta. Myös metsikön alkutilalla on suuri merkitys jatkuvapeitteisen kasvatuksen kannattavuudelle. Jatkuvapeitteinen metsänkasvatus soveltuu parhaiten kuusivaltaisiin metsiköihin, joissa kasvaa jo lähtötilanteessa eri-ikäisiä ja -kokoisia puita. Jatkuvapeitteisessä metsänhoidossa paras taloudellinen tulos saavutetaan tyypillisesti 10–20 vuoden hakkuuvälillä metsikön rakenteen ollessa tasapainotilassa, riippuen muun muassa korkokannasta, kasvu­paikasta ja hakkuukustannuksista. Hakkuut kohdistuvat suurimpiin puihin, ja optimaalinen puuston pohjapinta-ala hakkuiden jälkeen on 4–10 m2 ha–1. Taimettumisella on keskeinen merkitys jatkuvapeitteisen kasvatuksen kannattavuuden arvioinnissa. Taimettumiseen vaikuttavia tekijöitä olisi jatkossa syytä vielä selvittää. Lisätietoa tarvitaan myös jatkuvapeitteisen kasvatuksen ympäristövaikutuksista, erityisesti turvemailla. Lisäksi jatkuvapeitteisen kasvatuksen kannattavuutta tulisi jatkossa tarkastella erilaisilla kannattavuuden mittareilla ottaen huomioon metsänkasvatuksen riskit ja metsänomistajan suhtautuminen riskiin.202

Jatkuvapeitteisen ja jaksollisen kasvatuksen optimointi boreaalisissa mänty-koivusekametsissä

Boreaalisen vyöhykkeen metsillä on lukuisia ekologisia, sosiaalisia ja taloudellisia merkityksiä modernissa yhteiskunnassa, minkä vuoksi niitä on pyrittävä hoitamaan parhaalla mahdollisella tavalla. Jaksollinen kasvatus on ollut Suomessa pitkään vallitseva metsänhoitomenetelmä, mutta suomalainen kansalaisaloite ja EU:n uusi metsästrategia 2030 ovat vastikään ekologisiin syihin vedoten vaatineet avohakkuiden vähentämistä sekä jatkuvapeitteiseen kasvatukseen siirtymistä. Vaikka optimaalisen metsänhoitomenetelmän valintaa pohjoismaisissa olosuhteissa sekä valintaan liittyviä taloudellisia näkökulmia on taloudellis-ekologisissa optimointitutkimuksissa alettu kuvata yhä enemmän, on ymmärrys kyseisestä aiheesta vielä vaillinaista. Tämä tutkielma tarkastelee taloudellisesti optimaalisen metsänhoitomenetelmän valintaa ja optimaalista puulajikoostumusta boreaalisissa sekametsissä. Tutkimuksen kohteena on metsämännyn (Pinus sylvestris L.) ja rauduskoivun (Betula pendula Roth) puulajiyhdistelmä, jota ei taloudellisesti optimaalisen metsänhoitomenetelmän kannalta ole aiemmin tarkasteltu. Analyysi perustuu teoreettisesti johdonmukaiseen ja yleiseen taloudellis-ekologiseen malliin, jossa metsänhoidon tulojen nettonykyarvoa maksimoidaan metsikkötasolla. Tässä asetelmassa optimaalinen metsänhoitomenetelmä määrittyy mallin sisällä, kun kiertoaikaa sekä harvennusten ajoitusta ja intensiteettiä optimoidaan dynaamisesti. Mallin kaikki yksityiskohdat on estimoitu empiirisesti. Metsän kehitystä kuvataan Pukkalan tutkimusryhmineen (2011, 2013, 2021) estimoimilla kokoluokkarakenteisilla empiirisillä kasvumalleilla. Malleista uusinta ei aikaisemmin ole käytetty metsänhoidon dynaamiseen optimointiin. Tutkielman tulokset osoittavat ensimmäistä kertaa empiirisesti, että taloudellisesti voi olla optimaalista tehdä melkein-avohakkuita ilman, että metsikköä niiden jälkeen uudistetaan keinollisesti. Melkein-avohakkuut luovat suotuisat olosuhteet korjaamatta jätetyn nuoren puuston ja pioneerilajien luontaisen uudistumisen hyödyntämiselle uuden puukohortin synnyttämisessä. Kyseinen metsänhoitostrategia sopii paitsi koivikoille, myös koivuvaltaisille mänty-koivusekametsille korkokannan ollessa 1 %. Sen sijaan 3 %:n korkokannalla jatkuvapeitteisestä kasvatuksesta tulee sekametsissä optimaalista. Tutkielman tulosten perusteella jatkuvapeitteinen kasvatus sopii männiköille paremmin kuin edeltävät optimointitutkimukset ovat esittäneet. Lisäksi tulokset osoittavat, että taloudelliselta kannalta koivun kannattaa antaa uusiutua mäntymetsikössä ja levitä jopa metsikön valtapuuksi, sillä tämän seurauksena metsikön luontainen uudistuminen voimistuu. Optimiratkaisuiden yksityiskohdat riippuvat optimoinnissa käytetyistä ekologisista kasvumalleista. Tutkielmassa tarkasteltujen tapausten valossa ei voida sanoa jaksollisen tai jatkuvapeitteisen kasvatuksen olevan puuntuotannon tulojen kannalta kategorisesti toistaan parempi menetelmä. Monissa tapauksissa jatkuvapeitteisen kasvatuksen ja monimuotoisemman puulajivalikoiman hyödyntäminen ympäristöetujen saavuttamiseksi on optimaalista jo pelkästään hakkuutulojen maksimoinnin kannalta.Boreal forests fulfil a myriad of ecological, social and economic functions in modern society, which is why it is crucial to manage them in the best way possible. The prevailing forest management strategy in Finland has been rotation forestry, but a Finnish citizens’ initiative and the new EU forest strategy for 2030 have for ecological reasons been calling for a reduction in clearcuts and a switch to continuous cover forestry. While a growing number of economic-ecological optimization studies illustrate the economic aspects of optimal management regime choice in Nordic conditions, the understanding remains incomplete. To contribute to this line of research, this thesis studies the economically optimal management regime and species composition of mixed-species boreal forests with a previously unexamined species combination: Scots pine (Pinus sylvestris L.) and silver birch (Betula pendula Roth). The analysis is based on a theoretically sound and generalized stand-level economic-ecological model that maximizes the net present value of forestry income. In this setup, the optimal management regime is determined endogenously and flexibly, by dynamically optimizing both the rotation period and the timing and intensity of thinnings in a tri-level structure. All model details are empirically estimated. Forest stand development is described by size-structured empirical growth models by Pukkala et al. (2011, 2013) and by Pukkala et al. (2021), of which the latter has not been used in this line of analysis before. The results of this thesis show, for the first time empirically, that it can be economically optimal to conduct near-clearcuts without investing in artificial regeneration afterwards. Near-clearcuts create favourable conditions for utilizing the unharvested young trees and natural regeneration of pioneer species in generating a new tree cohort. This management strategy is found to be suitable for birch-dominated pine–birch stands with a 1% interest rate, as well as pure birch stands. With a 3% interest rate, continuous cover forestry becomes optimal for mixed stands. A further outcome of this thesis is that continuous cover management of pure pine stands is found to be more viable than in previous optimization studies. Further, it is shown that it is economically beneficial to let birch regenerate in a pine stand and even dominate it, due to improvements in overall ingrowth. The characteristics of the optimal solutions are, however, dependent on the ecological growth model used. In light of the cases studied in this thesis, neither rotation forestry nor continuous cover forestry is categorically superior in terms of timber income. There are demonstrably many cases where taking advantage of the environmental benefits of continuous cover forestry and higher tree species diversity is optimal also with respect solely to maximizing timber revenues