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TreeMig: Modellierung der Walddynamik in Raum und Zeit vom Bestand bis zum Kontinent

Ein Waldlandschaftsmodell, das räumliche Interaktionen einschliesst, ermöglicht die Simulation von Walddynamik und Baumartenmigration für verschiedene Anwendungen

 

Rahmen

Die Entwicklung, Erweiterung und Anwendung von TreeMig ist ein Kernprojekt der Gruppe Dynamische Makroökologie..

Hintergrund

Die räumlich-zeitliche Vegetationsdynamik, einschließlich der Migration von Pflanzenarten, spielt eine wichtige Rolle für die Dynamik von Artverbreitungsgebieten, die Kohlenstoffbindung, die Rückkopplung zwischen Klima und Biosphäre und die biologische Vielfalt im Klimawandel. Um die künftige Vegetationsdynamik abzuschätzen, sind raum-zeitliche Vegetationsmodelle auf grosser Skala unerlässlich, die die Migration von Pflanzen simulieren.

 

TreeMig Ansatz

TreeMig ist ein räumlich explizites und interagierendes Waldlandschaftsmodell, das ursprünglich auf einem Wald-gap (patch) Modell basierte (Lischke et al., 1998), und zusätzlich die Migration von Baumarten berücksichtigt. In jeder Zelle (Seitenlänge von 25 m bis 1 km) eines rechteckigen Gitters wird die Dynamik der Bäume verschiedener Baumarten simuliert, einschließlich der umweltabhängigen Reproduktion, des Wachstums, der Konkurrenz und der Sterblichkeit sowie der Samenausbreitung zwischen den Zellen, was die Simulation der Migration ermöglicht (Lischke et al., 2006). Die vertikale und horizontale Struktur innerhalb der Zellen wird durch Häufigkeitsverteilungen der Baumdichte in Höhenklassen und damit der Lichtintensitäten dargestellt.

 

Code Verfügbarkeit

Ein R-wrapper  mit GUI, Tutorials und Dokumentation werden durch das Projekt  TM-Wrapper zur Verfügung gestellt.

 

Further model developments

Optimierung durch Fast Fourier Transformation für die Samenverbreitung (analog zu Lehsten et al, 2019) und durch Parallelisierung, indem überlappende Streifen des Simulationsgebiets auf verschiedenen Prozessoren simuliert werden.

Kopplung mit Landnutzungsaufgabe(Rickebusch et al., 2007); Lawinendynamik  in hochalpinen Gebieten (Zurbriggen et al., 2014; Teich et al., 2012);  Steinschlagdynamik (Moos & Lischke, 2022; Moos et al., 2021); Hydrology, über die Phänologie und die Blattfläche (project FORHYCS; Speich et al. 2018a, 2018b, 2020)

Heraufskalieren durch Herleiten von Migrationsgeschwindigkeiten aus TreeMig Simulationen auf einem Transekt unter verschiedenen klimatischen, Konkurrenz- und Fragmentierungs- Bedingungen (Meier et al., 2012), Simulation nur von  repräsentativen Gitterzellen  für gewisse Prozesse  (Nabel & Lischke, 2013; Nabel, 2015);

Sensitivität gegenüber der Formulierung von Klima Input Variabilität  (Nabel et al., 2013,2014)

 

Anwendungen

Erste Tests auf regionaler Ebene (50*50 Zellen a 25m*25m), die mit Samen nur in der mittleren Zelle gestartet wurden, zeigen zunächst eine wellenförmige Ausbreitung der Pionierarten und für Arten mit geringer Samenproduktion starke Auswirkungen der stochastischen Samenausbreitung. Die Konkurrenz spielt eine wichtige Rolle für diese Muster.

Mehrere Simulationsstudien mit TreeMig auf lokaler bis nationaler Ebene haben gezeigt, dass Klimawandel und Arten-Migration die Zusammensetzung und räumliche Verteilung von Wäldern drastisch beeinflussen können, sowohl in der Vergangenheit alsauch in der Zukunft (Lischke, 2020).

Vergangenheit

Simulationen für das  Holocene im Wallis zeigen eine lebhafte Dynamik der Artenzusammensetzung, bestimmt durch Sukzession und Migration, die durch Einwanderungsereignisse und Klima ausgelöst werden (Lischke, 2004, 2005; Lischke et al., 2006). Im Gegensatz dazu deuten TreeMig-Simulationen darauf hin, dass die Neubewaldung (verbunden mit einer Veränderung der Albedo und der Oberflächenrauhigkeit) nach einem drastischen Temperaturanstieg während des Spätglazials bei den meisten Arten hauptsächlich durch das Klima und positive Rückkopplungen über die Nährstoffdynamik und die Albedo angetrieben wird und ein Sukzessionsmuster einleitet, das später durch die verzögerte Einwanderung von Pinus beeinflusst wird (Lischke et al., 2013). 

Gegenwart

TreeMig wurde auch zur Simulation der durch den Klimawandel bedingten Waldzusammensetzung eingesetzt, um die Ausbreitung von Quercus ilex in Westfrankreichwährend des letzten Jahrhunderts zu interpretieren (Delzon et al., 2013) und der Rückkopplung zwischen Wald und Lawinen  im Dischma-Tal in Davos (Zurbriggen et al. 2014, Teich et al. 2012).

Zukunft

Simulationen in der boreal/arcktischen Zone Sibiriens unter Klimawandel  deuten darauf hin, dass die Migration von Baumarten der Verschiebung nach Norden ihren potenziellen Nischen um mehrere Jahrhunderte hinterherhinkt (Epstein et al., 2007; Goetz et al., 2011; Lischke 2020), was Folgen für die Rückkopplungen auf das Klimasystem durch veränderte Albedo und Kohlenstoffbindung hat.

Andere Anwendungen sind  Simulationen auf Landschaftsskala der Effekte von Klimawandel und Störungen in der Schweiz, z.B. von  Lawinen (Petter et al., 2020),  oder Steinschlag (Moos et al., 2021).

Schweizweite Simulationen mit einer Auflösung von 200 m mit einem Klimawandel- und mehreren Szenarien für Landnutzungsänderungen und Migration deuten auf starke klimatische und lokal starke und insgesamt mäßige Auswirkungen von Landnutzung, Konkurrenz und Ausbreitung auf die Artenverschiebung hin (Lischke, 2020). Die Arten verlagern sich nach oben, und schneller wandernde Arten (z. B. Lärche und Fichte) können langsamer wandernde Arten (Kiefer und Buche) zeitweise blockieren. Solch ein blockierender Effekt wurde auch bei regionalen Simulationen von den Höhengrenzen der Baumarten festgestellt (Scherrer et al., 2020).