Options for management of high value timber within temperate agroforestry systems

Hochschulschrift

Abstract: An innovative system of biomass production designed to increase the overall output from the land in the forms of wood, both for energy and for high value timber is presented and explored. The system is intended to combine short rotation coppice and valuable timber trees on the same land unit, thus representing an inventive agroforestry concept to optimise land use. The main objectives of the presented thesis are threefold: I) The assessment of biomass production and carbon sequestration potential of valuable timber grown within widely spaced plantations, II) an examination of factors influencing timber quality and potential solutions which minimise risks affecting the final quality of valuable timber, and III) recommendations for management options for the production of valuable timber within widely spaced plantations outside the forest.
The study site is located close to the town of Breisach adjacent to the river Rhine. Trees were established in 1997 on abandoned arable farmland with a mixture of valuable broadleaved species including wild cherry (Prunus avium L.) in order to assess and demonstrate the growth of valuable timber grown within a widely spaced plantation.
A total number of 39 wild cherry were sampled in 2012 and 2013 to assess the leafless above ground biomass. The complete trees including stem and branches were separated into 1 cm diameter classes. The smallest diameter classes where shown to possess the highest proportion of bark due to smaller cross sectional area, while tree boles with a greater amount of stem wood above 10 cm in diameter were shown to have a lower bark proportion. However, a balance was evident between the production of new branches with a low diameter and high bark proportion offset by the thickening and a relative reduction in bark proportion in larger branches. Utilising the models presented in the study the carbon and the nutrient content of above-ground woody biomass of whole trees could be calculated. Values for carbon held within relatively immature trees was derived, the result strongly supporting the idea of the inclusion of wild cherry within agroforestry systems as an option for carbon sequestration.
Terrestrial Laser Scanning (TLS) methodology was utilised for the examination of above ground volume of trees. We presented a method for fitting cylinders into a point cloud, derived from a TLS scanned tree. The method was validated both by applying a comparison of the resulting cylinder models with ground truth data and by a comparative analysis of the input point clouds and the models. Tree models were built representing more than 99% of the input point cloud. The algorithm was applied to build two allometric models based on 24 wild cherry tree point clouds derived from the Breisach research site as an example application. It was also shown that TLS technology can be applied as a tool for assessing growth by means of time series analysis.
The repeated application of this methodology to the same trees (n=21) in three consecutive years allowed for a level of scrutiny not previously permissible when using established destructive techniques. The presented methodology was shown to be able to detect growth and changes in tree form between single years. Annual diameter and height growth, volume growth within the stem, the merchantable timber fraction, and the branches were documented. In addition we were able to explore the growth of single branches. Furthermore, the application of this technique enabled the determination of crown length and volume reduction as a result of pruning treatments. As a further step volume information was combined with published density values and the resulting biomass was compared with results gained by the application of standard allometric functions from literature showing equivalent results thus facilitating the researcher to accurately assess biomass increase using non-destructive techniques.
Within this work the problem of sun damage on sun exposed bole faces of wild cherry was also explored. Such damage was attributed to periods in late winter or early spring when the frozen dormant cambium tissue thaws and then rapidly re-freezes. This is a phenomenon commonly referred to as sunscald. Damage on the south western bole face was observed on a number of wild cherry within an AFS. Five trees were sampled to assess the period in time when damage occurred. To retrospectively investigate such damage, bark surface temperature data were collected over a two year period for a further five wild cherry and analysed. It was shown that bark surface temperature on the south western bole face reached nearly 50°C during summer and experienced a maximum range of 38°C within a 24 hour period in spring. A specially formulated white paint was applied to two trees, thus, testing a method to reduce the risk of sun damage. Two models were constructed to predict maximum and minimum daily bark surface temperature using maximum, minimum and mean daily air temperature, daily sum of sunshine hours, cloud cover, wind speed, relative humidity, maximum solar elevation and height on the tree bole as predictor variables.
Further exploring the theme of timber quality the effect of the common silvicultural practice of pruning wild cherry carried out to produce valuable timber at a veneer wood quality was examined. Sub-optimal pruning treatments can permit un-occluded pruning wounds to develop devaluing decay. We aimed at determining relevant branch, tree and pruning characteristics affecting the occlusion process of pruning wounds in wild cherry. This was undertaken by the retrospective analysis of 85 artificially pruned branches originating from ten wild cherry trees derived from the Breisach site. It was shown that branch stub length, branch diameter and radial stem increment during occlusion were found to be significant predictors for occlusion time. From the results it could be concluded that for the long term success of artificial pruning of wild cherry it is crucial to (i) keep branch stubs short (while avoiding damage to the branch collar), (ii) to enable the tree to maintain significant radial growth after pruning, (iii) to avoid large pruning wounds (>2.5 cm) by removing steeply angled and fast growing branches at an early stage
Abstract: In der vorliegenden Arbeit wird ein innovatives Landnutzungssystem zur Biomasseproduktion präsentiert und näher untersucht. Das System wurde mit dem Ziel entworfen, den Holzertrag, sowohl für die energetische Verwendung als auch für die Wertholzproduktion, zu steigern. Das System ist mit dem Ziel konzipiert worden, Kurzumtriebsbewirtschaftung und Wertholzproduktion auf ein und derselben Flächeneinheit zu kombinieren. Dies stellt somit ein einfallsreiches Agroforstkonzept mit dem Ziel Landnutzung zu optimieren dar. Die Hauptziele der vorgestellten Arbeit können in drei Bereiche gegliedert werden: I) Die Erfassung und Bewertung der Biomassenproduktion und des Kohlenstoffspeicherungs-Potentials von Wertholzbäumen aus Weitverbandspflanzungen, II) die Untersuchung der Faktoren, die die Holzqualität beeinflussen, und mögliche Lösungsansätze zur Risikominimierung, und III) Empfehlungen zu verschiedenen Bewirtschaftungsoptionen zur Wertholzproduktion in weitständig erwachsenen Pflanzungen außerhalb des Waldes
Die Versuchsfläche liegt bei Breisach in Rheinnähe. Sie wurde 1997 auf einer ehemals landwirtschaftlich genutzten Fläche angelegt und umfasst eine Mischung von unterschiedlichen Edellaubbäumen einschließlich der Wildkirsche (Prunus avium L.). Ziel der Anlage ist es, das Wachstum von Bäumen zur Wertholzproduktion in einer Weitverbandspflanzung zu demonstrieren und zu erfassen.
Insgesamt wurden in den Jahren 2012 und 2013 39 Wildkirschen beprobt, um die oberirdische Biomasse im laubfreien Zustand zu erfassen. Die kompletten Bäume inklusive Stamm und Äste wurden in 1 cm Durchmesser-Klassen aufgeteilt. Die kleinsten Durchmesser-Klassen zeigten, auf Grund der kleineren Querschnittsflächen, die höchsten Rindenanteile, wohingegen Baumstämme mit einem größeren Anteil an Stammholz mit über 10 cm Durchmesser einen niedrigeren Rindenanteil aufwiesen. Offenkundig jedoch war, dass die Produktion von neuen Ästen mit geringem Durchmesser und hohem Rindenanteil durch die Durchmesserzunahme und die damit einhergehende Reduktion der Rindenanteile in Ästen mit größeren Durchmessern kompensiert wird. Es konnte gezeigt werden, dass der Kohlenstoff- und Nährstoffgehalt der oberirdischen Holzbiomasse der ganzen Bäume mit Hilfe der in dieser Studie vorgestellten Modelle berechnet werden kann. Die abgeleiteten Werte für Kohlenstoff bei jungen Wildkirschen zeigen das Potenzial, das die Einbeziehung von Bäumen in Agroforstsysteme (AFS) zur Kohlenstoffspeicherung bereithält.
Die Technik des terrestrischen Laserscannings (TLS) wurde zur Erfassung des oberirdischen Volumens von Bäumen benutzt. Dabei wurde ein Methode präsentiert, bei der Zylinder in eine Punktewolke eingepasst werden, die von einem Baum stammt, der mit einem TLS gescannt wurde. Die Methode wurde sowohl durch einen Vergleich der resultierenden Zylindermodelle mit manuell erhobenen Daten als auch durch eine komparative Analyse der Eingangs-Punktewolke und der Modelle validiert. Die erstellten Baummodelle konnten 99% der Eingangs-Punktewolke wiedergeben. Der Algorithmus wurde genutzt, um auf der Basis der Punktwolken von 24 Wildkirschen von der Versuchsfläche in Breisach beispielhaft zwei allometrische Modelle zu entwickeln. Es wurde zudem gezeigt, dass die Technik des TLS als Werkzeug angewandt werden kann, um das Wachstum von Bäumen als Zeitreihenanalyse zu messen. Zu diesem Zweck wurden die selben 21 Bäume in drei aufeinanderfolgenden Jahren gescannt. Diese Form der Aufnahme ermöglicht eine Genauigkeit, die mit etablierten destruktiven Verfahren zuvor nicht möglich war. Es konnte gezeigt werden, dass die vorgestellte Methodik im Stande ist, Wachstum und Änderungen in der Form der Bäume zwischen einzelnen Jahren aufzuzeigen. So konnten das jährliche Durchmesser- und Höhenwachstum, das Volumenwachstum innerhalb des Stammes, des Derbholzes und der Äste erfasst und berechnet werden. Zusätzlich war es möglich, das Wachstum einzelner Äste zu untersuchen. Die Anwendung dieser Technik erlaubte es außerdem, die Länge der Baumkronen und die durch Ästungsmaßnahmen herbeigeführte Volumenreduktion zu ermitteln. In einem weiteren Schritt wurden die Volumeninformation mit veröffentlichten Dichtewerten verknüpft und die daraus resultierenden Biomasseinformationen mit den Ergebnissen von allometrischen Funktionen aus der Literatur verglichen. Da hier nur minimale Abweichungen auftraten, kann man schließen, dass der Biomassezuwachs mit Hilfe dieser nicht-destruktiven Technik akkurat erfasst werden kann.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde auch das Problem von sonneninduzierten Schäden auf der der Sonne zugewandten Baumstammseite bei Wildkirschbäumen untersucht. Solche Schäden treten im späten Winter oder frühen Frühjahr auf, wenn das gefrorene, inaktive Kambiumgewebe auftaut und daraufhin nochmals in kurzer Zeit friert. Dies ist ein Phänomen, das gemeinhin als Sonnenbrand bezeichnet wird. An einer Reihe von Wildkirschbäumen innerhalb eines AFS wurden solche Schäden auf der südwestlichen Stammseite festgestellt. Fünf Bäume wurden gefällt und beprobt, um den Zeitpunkt des Schadereignisses festzustellen. Um diese Schäden retrospektiv zu untersuchen, wurden über einen Zeitraum von zwei Jahren die Temperatur auf der Rindenoberfläche von weiteren fünf Wildkirschbäumen erfasst und analysiert. Auf diese Weise konnte gezeigt werden, dass die Temperatur an der Rindenoberfläche auf der südwestlichen Stammseite im Sommer Werte von fast 50°C erreichte und zudem innerhalb eines 24- Stunden-Zeitraums eine maximale Temperaturspanne von bis zu 38°C umfasste. Um das Risiko von Sonnenbrandschäden zu minimieren, wurden testweise zwei Bäume mit einer speziellen weißen Baumschutzfarbe angestrichen. Zwei Modelle wurden berechnet, um die maximale und minimale tägliche Rindenoberflächentemperatur vorherzusagen. Dabei wurden die maximale, minimale und durchschnittliche tägliche Lufttemperatur, die tägliche Anzahl der Sonnenstunden, die Bewölkung, die Windgeschwindigkeit, die relative Luftfeuchtigkeit, der maximale Sonnenstand und Höhe am Stamm als Eingangsvariablen verwendet.
Um die Thematik der Holzqualität von Bäumen tiefergehend zu erforschen, wurde die Auswirkung der gängigen Methodik der Ästung der Wildkirsche mit dem Ziel der Wertholzproduktion näher untersucht. Schlechte Ästung kann bei nichtüberwallten Ästungswunden dazu führen, dass Fäulnis entsteht, die das Holz entwertet. Ziel der Untersuchung war es relevante Ast-, Baum- und Ästungsparameter zu finden, die den Überwallungsprozess von Ästungswunden bei Wildkirschen beeinflussen. Das Ergebnis zeigte, dass die Aststummellänge, der Astdurchmesser und der Radialzuwachs des Baumes während der Überwallungszeit einen signifikante Einfluss auf die Überwallungsdauer haben.
Dies wurde durch eine retrospektive Analyse an 85 Astproben von 10 geästeten Wildkirschen von der Versuchsfläche in Breisach herausgefunden. Aus den Ergebnissen konnte geschlussfolgert werden, dass es für den Langzeiterfolg von künstlicher Ästung von Wildkirschen entscheidend ist, (i) die Aststummel kurz zu halten (wobei gleichzeitig Schäden am Astkragen vermieden werden sollten), (ii) es dem Baum zu ermöglichen, einen hohen Radialzuwachs nach der Ästung aufrechtzuerhalten, (iii) große Ästungswunden (>2,5 cm) zu vermeiden, indem besonders steile und schnell wachsende Äste frühzeitig entfernt werden

Object Details

• Location: Deutsche Nationalbibliothek Frankfurt am Main
• Extent: Online-Ressource
• Language: Englisch
• Notes: Universität Freiburg, Dissertation, 2016

Classification and Topics

• Keyword: Baum ; Agroforstwirtschaft ; Agroforstwirtschaft

Contributors, Places and Time

• Event: Veröffentlichung
• (where): Freiburg
• (who): Universität
• (when): 2023
• Creator: Sheppard, Jonathan
• Contributor: Spiecker, Heinrich ; Fink, Siegfried ; Koch, Barbara ; Albert-Ludwigs-Universität Freiburg. Professur für Waldwachstum und Dendroökologie ; Albert-Ludwigs-Universität Freiburg. Fakultät für Umwelt und Natürliche Ressourcen

Further information

• DOI: 10.6094/UNIFR/238291
• URN: urn:nbn:de:bsz:25-freidok-2382910
• Rights: Open Access; Der Zugriff auf das Objekt ist unbeschränkt möglich.
• Last update: 25.03.2025, 1:46 PM CET