A model for regional analysis of carbon sequestration and timber production

The greenhouse effect is one of our most severe current environmental problems. Forests make up large ecosystems and can play an important role in mitigating the emissions of CO2, the most important greenhouse gas. Different management regimes affect the ability of forests to sequester carbon. It is important to investigate in what way we best can use forests to mitigate the greenhouse effect. It is also important to study what effect different actions, done to increase carbon sequestration, have on other offsets from forestry, such as the harvest level, the availability of forest biofuel and economic factors. In this study, we present an optimization model for analysis of carbon sequestration in forest biomass and forest products at a local or regional scale. The model consists of an optimizing stand-level simulator, and the solution is found using linear programming. Carbon sequestration was accounted for in terms of carbon price and its value computed as a function of carbon price and the net carbon storage in the forest. The same price was used as a cost for carbon emission originating from deterioration of wood products. We carried out a case study for a 3.2 million hectare boreal forest region in northern Sweden. The result showed that 1.48–2.05 million tonnes of carbon per year was sequestered in the area, depending on what carbon price was used. We conclude that assigning carbon storage a monetary value and removal of carbon in forest products as a cost, increases carbon sequestration in the forest and decreases harvest levels. The effect was largest in areas with low site-quality classes

Skattning av tillstånd och förändringar genom inventeringssimulering

För att följa populationers utveckling över tiden inom ett givet område kan området ifråga inventeras vid olika tidpunkter. Den simulator som beskrivs i det följande är framtagen för att studera kostnadseffektiviteten (samband mellan noggrannhet och kostnad) för olika inventeringsmetoder i detta sammanhang. Objektiva inventeringsmetoder för vanligt förekommande skogliga objekt, som t ex ordinära levande träd, är välkända inom skogbruket Objekt av intresse för naturvården, som t ex gamla enskilda träd eller stående döda träd eller lågor, är däremot sällsynta. För att få kunskap om objektiva inventeringsmetoders kostnadseffektivitet i dessa sammanhang (sällsynta objekt) har tidigare en inventeringssimulator konstruerats (Ståhl och Lärnås 1995). Med förhållandevis små förändringar var det möjligt att modifiera denna till att simulera populationers förändringar över tiden, samt att, utöver skattning vid en enskild tidpunkt, även utföra skattningar av förändringar. Modifieringarna utfördes under 1997 på uppdrag av Naturvårsverket och programpaketet som den nya simulatorn består av har getts namnet "NVSIM". Med sitt ursprung i den tidigare simulatorn, är den inte "optimal" i alla avseenden, t ex är vissa simuleringar tidskrävande. NVSIM genererar populationer med en täthet (antal individer per arealenhet) och rumslig fördelning i utgångsläget som specificeras av användaren. Avgång samt tillskott av individer, med avseende på täthet och rumslig fördelning, till en senare tidpunkt specificeras även. Inventeringar, med ett antal olika metoder, av området kan sedan simuleras. Med individ avses ett godtyckligt objekt. Individer kan t ex utgöras av enskilda växter eller djur men kan även avse t ex substrat för växter och djur. Ett exempel på det senare är döda stående träd eller lågor. Simulatorn består av tre enheter (Fig. l). Med den första enheten, populationssimulatorn, genereras populationen. Önskade egenskaper hos populationen (täthet och rumslig fördelning) anges i en styrfiL Populationssimulatorn genererar tre filer som beskriver populationen vid tidpunkt l, tidpunkt 2 samt förändringen av populationen. Inventeringar kan sedan utföras med den andra enheten, inventeringssimulatorn. Inventeringarnas utformning anges i en styrfiL En grafisk bild av enbart populationen eller populationen tillsammans med utfall av inventeringen (läge för provytor eller bälten samt resultatuppgifter) kan erhållas med den tredje enheten, den grafiska enheten. Inventeringssimulatorn hanterar tre inventeringsmetoder; bältesinventering, cirkelyteinventering och kvadratyteinventering. Används förändringsbilden så motsvarar inventeringen en inventering med fasta provytor eller bälten, dvs samma lägen vid vid båda tidpunkterna. Två fall av registre­- ringar på ytor/bälten utförs. Dels registreras samtliga individer; registrering av antal, dels registreras endast huruvida individer förekommer inom ytor/bälten (ev. inom delar av ytor/bälten); registrering av förekomst. Programmen i populations-och inventeringssimulatorn är programmerade i Fortran medan programmet i den grafiska enheten är programmerat i Turbo Pascal

Om detektering av förändringar av populationer i begränsade områden

I många sammanhang är det av intresse att följa växt- och djurpopulationers utveckling över tiden. Även mängder av substrat, som olika organismer är beroende av, kan vara av intresse. Ett exempel på substrat i skogliga sammanhang är död ved i form av stående döda träd eller lågor. Med "population" avses i det följande ett antal växt-eller djurindivider eller ett antal individuella substrat. Populationen befinner sig i ett geografiskt avgränsat område. En populations storlek kan bestämmas genom totalräkning eller skattas genom ett stickprovs­ förfarande. Bestämningen eller skattningen kan utföras vid olika tidpunkter varvid en uppskattning av populationens förändring erhålls. Vanligen är totalräkning otänkbart på grund av begränsade resurser varför man är hänvisad till olika stickprovsförfaranden. För populationer med en viss rumslig utbredning inom ett geografiskt avgränsat område finns en mängd tänkbara stickprovsförfaranden, dvs inventeringsmetoder. Vanligen lokaliseras provytor av viss form och storlek inom området ifråga och individerna inom dessa registreras. Alternativt registreras inte samtliga individer inom provytan utan en registrering av förekomst/ej förekomst utförs istället. Anta att populationsstorleken skattas genom ett stickprovsförfarande vid två tidpunkter. Möjligheterna att uttala sig om huruvida en förändring av populationsstorleken har skett eller ej, beror då av noggrannheten i skattningarna vid respektive tidpunkt och eventuellt av korrelationen mellan skattningarna vid de två tillfällena. För att studera kostnadseffektiviteten för olika inventeringsmetoder för detektering av populationsförändringar har en simulator konstruerats (Lämås & Ståhl 1997). Simulatorn består av tre enheter. Med den första enheten, populationssimulatorn, genereras dels populationen vid en första tidpunkt, dels en förändring av populationen till en senare tidpunkt. Populationens beskaffenhet i utgångsläget samt avgång och tillkomst av individer kan styras med avseende på både täthet (antal individer per arealenhet) och den rumsliga fördelningen. Beskrivningar av populationen vid respektive tidpunkt, samt en "förändringsbild" av populationen genereras. Inventeringar kan sedan utföras med den andra enheten, inventerings­ simulatorn. Ett inventeringsförfarande simuleras upprepade gånger och antalet individer (om det gäller populationenen vid en tidpunkt) eller förändring i individantal (om det gäller en förändringsbild) skattas. Variansen för individantal eller förändring i individantal skattas sedan som variansen för de skattade värdena i simuleringarna. Förfarandet kallas vanligen Monte­ Carlo-simulering. Kostnaden för inventering erhålls genom att tidsåtgången först beräknas varefter denna multipliceras med kostnaden per tidsenhet. Tidsåtgången erhålls genom att tidsåtgångar för alla ingående delmoment specificeras. Med den tredje enheten, den grafiska enheten, kan en bild av enbart populationen eller populationen tillsammans med utfall av inventeringen (läge för provytor eller bälten samt resultatuppgifter) erhållas. Simulatorn hanterar tre inventeringsmetoder; bältesinventering, cirkelyteinventering och kvadratyteinventering. Används förändringsbilden av populationen så motsvarar inventeringen en inventering med fasta provytor eller bälten, dvs samma lägen vid vid båda tidpunkterna. För registrering av förekomst kan kvadratiska ytor delas in i mindre delytor, "sub-kvadrater", och bälten delas in i bältessegment I föreliggande arbetsrapport ges ett antal exempel på analyser som kan utföras med simulatorn. Följande exempel ges: • Studie l: Samband mellan precision och kostnad vid skattning av antalsförändring med bältesinventering och cirkelyteinventering. • Studie 2: Permanenta eller tillfälliga bälten för att erhålla viss precision i skattning av förändring i individantaL • Studie 3: Styrkan i detektering av förändringar i individfattiga populationer via bältesinventering. • Studie 4: Styrkan i detektering av förändring via räkning och via registrering av förekomst. Exemplen gör inte anspråk av att vara uttömmande studier av respektive problemområde utan syftar till att påvisa intressanta områden och problem i samband med populationsförändringar. Vid simuleringar av inventeringar var antalet upprepningar i samtliga fall 300

Estimating stem diameter distributions from airborne laser scanning data and their effects on long term forest management planning

Data obtained from airborne laser scanning (ALS) are frequently used for acquiring forest data. Using a relatively low number of laser pulses per unit area (≤5 pulses per m2), this technique is typically used to estimate stand mean values. In this study stand diameter distributions were also estimated, with the aim of improving the information available for effective forest management and planning. Plot level forest data, such as stem number and mean height, together with diameter distributions in the form of Weibull distributions, were estimated using ALS data. Stand-wise tree lists were then estimated. These estimations were compared to data obtained from a field survey of 124 stands in northern Sweden. In each stand an average of seven sample plots (radius 5–10 m) were systematically sampled. The ALS approach was then compared to a mean value approach where only mean values are estimated and tree lists are simulated using a forest decision support system (DSS). The ALS approach provided a better match to observed diameter distributions: ca. 35% lower error indices used as a measure of accuracy and these results are in line with the previous studies. Moreover – which is unique compared to earlier studies – suboptimal losses were assessed. Using the Heureka DSS the suboptimal losses in terms of net present value due to erroneous decisions were compared. Although no large difference was found, the ALS approach showed smaller suboptimal loss than the mean value approach

Spatial aspects in the Heureka forest decision support system – an overview

This report is part of task 1.4 in work package 1 in the Mistral Digital Forests first phase (2018- 2022) research programme. The task concerns the use of information with complete spatial coverage (“wall-to-wall data”) in forest planning. Spatial aspects in forest planning are present if the value of a forest management activity or the character of a specific stand does not rest only on management or attributes of the stand itself but also on stands in the neighborhood. Traditionally in Swedish forestry spatial aspects, e.g. the spatial location of final fellings, has been handled in tactical planning and/or ecological landscape planning and not in the strategic planning.In this report, we thoroughly describe and present state-of-the art applications of the spatial functionality available in the Heureka forest DSS, and identify potential development tasks. These include to simplify the interface of the optimization model, reduce the build times associated with the formulation of various optimization problems, support efficient free solvers of optimization problems, improve GIS functionality, enable the use of open data in various forms of analysis using the Heureka systems and publish the Heureka system as open source

Accounting for a Diverse Forest Ownership Structure in Projections of Forest Sustainability Indicators

In this study, we assessed the effect of a diverse ownership structure with different management strategies within and between owner categories in long-term projections of economic, ecological and social forest sustainability indicators, representing important ecosystem services, for two contrasting Swedish municipalities. This was done by comparing two scenarios: one where the diversity of management strategies was accounted for (Diverse) and one where it was not (Simple). The Diverse scenario resulted in a 14% lower total harvested volume for the 100 year period compared to the Simple scenario, which resulted in a higher growing stock and a more favorable development of the ecological indicators. The higher proportion of sparse forests and the lower proportion of clear-felled sites made the Diverse scenario more appropriate for delivering access to common outdoor recreation activities, while the Simple scenario projected more job opportunities. Differences between the scenarios were considerable already in the medium term (after 20 years of simulation). Our results highlight the importance of accounting for the variety of management strategies employed by forest owners in medium- to long-term projections of the development of forest sustainability indicators

Will intensity of forest regeneration measures improve volume production and economy?

The prevailing regeneration methods in Scandinavian countries are artificial regeneration methods including measures such as site preparation and planting. These measures are considered to be a part of a more intensive forest management and require an initial investment. The use of artificial regeneration measures can, however, increase the growth of a forest stand. In this study, the purpose was to investigate if such an investment is profitable by comparing three different intensity levels (low, medium and high) applied during the regeneration phase, with aspect on both economics (LEV, land expectation value) and growth (MAI, mean annual increment) after a full rotation. The forest stands used in this study were regenerated between 1984 and 1988 and the future growth of the stands was simulated using Heureka StandWise. It was clear that naturally regenerated (low intensity) stands resulted in better economics than stands actively regenerated (medium and high intensity). However, actively regenerated stands resulted in both higher volume production and growth, and the uncertainty of regeneration success was reduced using artificial regeneration measures. These factors are important when considering both the ongoing mitigation of carbon dioxide in the atmosphere and future access to raw material

Improving dynamic treatment unit forest planning with cellular automata heuristics

We present a model for conducting dynamic treatment unit (DTU) forest planning using a heuristic cellular automata (CA) approach. The clustering of DTUs is driven by entry costs associated with treatments, thus we directly model the economic incentive to cluster. The model is based on the work presented in the literature but enhanced by adding a third phase to the CA algorithm where DTUs are mapped in high detail. The model allows separate but nearby forest areas to be included in the same DTU and shares the entry cost if they are within a defined distance. The model is applied to a typical long-term forest planning problem for a 1 182 ha landscape in northern Sweden, represented by 4 218 microsegments with an average size of 0.28 ha. The added phase increased the utility by 1.5-32.2%. The model produced consistent solutions-more than half of all microsegments were managed with the same treatment program in 95% of all solutions when multiple solutions were found