Decision support tools for satisfying multiple forest ecosystem services

Abstract

Bærekraftig skogforvaltning (SFM) som leverer komplekse og mangfoldige økosystemtjenester krever adopsjon av beslutningsstøttesystemer. Begrensninger i disse verktøyene hemmer imidlertid effektiv strategisk beslutningstaking basert på analyser av avveininger og synergier mellom forskjellige økosystemtjenester, som ikke alle adresseres innenfor den tradisjonelle skogsektoren. For å bygge bro over slike gap, er målet med denne avhandlingen å utvikle en individuell tresimulator og et omfattende simulerings- og optimaliseringsrammeverk, og anvende disse i sammenhenger med økende kompleksitet av ønskede skogfordeler. Denne tilnærmingen kan støtte beslutninger for myndigheter, skogforvaltere og -eiere, samt industrier som ønsker å oppnå SFM. Den norske skogkonteksten, som for tiden er basert på jevnaldrende skogforvaltning, brukes som en case-studie. Analysen avslører flere nøkkelfunn: (1) Simulatoren demonstrerte tilfredsstillende ytelse ved bruk av norske NFI-data, noe som ga plausible langsiktige simuleringer; (2) Den fungerer som et verdifullt verktøy for skogforvaltning, beslutningstaking, rapportering og forskning, og adresserer grunnleggende vitenskapelige spørsmål; (3) Studien undersøker virkningen av forskjellige karbonpriser på tømmerhogst, karbonlagring, biologisk mangfold og skogindustriproduksjon; (4) Komplekse forhold mellom karbonlagring og biologisk mangfold avdekkes, som viser både synergistiske og konfliktfylte interaksjoner basert på den brukte modellen; (5) Innflytelsen av biologisk mangfolds begrensninger på tømmerhogst og karbonlagringsnivåer var relativt liten; (6) Det utviklede to-nivå beslutningsstøtterammeverket som integrerer simulering og multi-objektiv optimalisering adresserer usikkerheter i tømmerpriser, og forbedrer robust beslutningstaking; (7) Det finnes avveininger mellom alle målene, inkludert økonomisk fortjeneste fra tømmerhogst, karbonlagring og bevaring av biologisk mangfold; (8) Kompromissløsningen, som er robust til tross for usikkerhet i tømmerpriser, representerer en sosialt akseptabel løsning; og (9) De optimale FMAs gjennomgår variasjoner avhengig av romlige og hogststørrelsesbegrensninger, og viser dermed effekten av å samle forvaltningselementer på tømmerutbytte, bevaring av biologisk mangfold og karbonlagring. ii Avslutningsvis understreker denne avhandlingen viktigheten av å forstå avveiningene og synergiene mellom tre politisk relevante skogmål: tømmerproduksjon, karbonlagring og bevaring av biologisk mangfold på tvers av ulike scenarier. Den demonstrerer eksistensen av ulike modelleringsrammeverk som kan brukes av beslutningstakere og forskere til å forfølge SFM samtidig som de adresserer klima- og biologisk mangfoldsmål.

Abstract: Sustainable forest management (SFM) providing complex multiple ecosystem services requires adoption of decision support systems. However, limitations in decision-support tools hamper effective strategic decision-making based on analyses of trade-offs and synergies among different ecosystem services, all of which are not addressed within the traditional forest sector. To bridge such gaps, the aim of this thesis is to develop an individual tree simulator, and a comprehensive simulation and optimization framework, and apply those in contexts with increasing complexity of desired forest benefits. This approach can support decisions to governments, forest managers and owners, and industries aiming at SFM. The Norwegian forestry context, currently based on even-aged forest management is used as a case study. The analysis reveals several key findings: (1) The simulator demonstrated satisfactory performance when utilizing Norwegian NFI data, yielding plausible long-term simulations; (2) It serves as a valuable tool for forest management, decision-making, reporting, and research, addressing fundamental scientific inquiries; (3) The study examines the impact of diverse carbon prices on timber harvest, carbon sequestration, biodiversity, and forest industry production; (4) Complex relationships between carbon sequestration and biodiversity are uncovered, showing both synergistic and conflicting interactions based on the model used; (5) The influence of biodiversity constraints on timber harvest and carbon sequestration levels was relatively minor; (6) The developed two-level decision-support framework that integrates simulation and multi-objective optimization addresses uncertainties in timber assortment prices, enhancing robust decision-making; (7) Trade-offs exist among all objectives, including economic profit from timber harvest, carbon sequestration, and biodiversity conservation; (8) The compromise solution, which is robust despite timber price uncertainty, represents a socially acceptable solution; and (9) The optimal FMAs undergo variations contingent upon spatial and harvest size constraints, thereby demonstrating the impact of aggregating management units on timber yield, biodiversity preservation, and carbon sequestration. In conclusion, this dissertation underscores the importance of understanding the trade-offs and synergies among three policy-relevant forest objectives: timber production, carbon iv sequestration, and biodiversity conservation across various scenarios. It demonstrates the existence of various modelling frameworks that can be utilized by decision-makers and researchers alike to pursue SFM while simultaneously addressing climate and biodiversity objectives.