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Calibration and validation of a simplified process-based model for the prediction of the carbon balance of Scottish Sitka spruce (Picea sitchensis) plantations

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Abstract:

There is increasing recognition that forestry provides a low cost and robust means of climate change abatement through carbon sequestration and substitution. However, current understanding of forest ecosystem carbon exchange and forest–atmosphere interactions are often inadequately characterized by existing empirical growth models with resulting poor representation for regional extrapolations. In this paper, we describe the parameterisation and independent validation, against both eddy covariance and forest growth experimental data, of a process-oriented model 3PGN to provide assessments of carbon sequestration of Sitka spruce (Picea sitchensis (Bong.) Carrière) plantations across Scotland. In comparison with eddy covariance measurements, the model predicted all of the major annual carbon fluxes, i.e., gross primary production (PG), net ecosystem production (PE), and ecosystem respiration (RE), with biases lower than 10%. At a monthly time step, only PG and PE were accurately estimated, whereas RE was not. At longer time scales (i.e., several decades), the model reliably represented the major patterns of the carbon balance. Soil type was identified as the important factor influencing site productivity; fertilization practices did not alter long-term site nutritional status. The analyses also highlighted the potential impact of carbon loss from carbon-rich soils, which can result in differences between optimal rotation length for carbon sequestration and for timber production.

Il est de plus en plus reconnu que la foresterie fournit un moyen économique et robuste d’atténuer les changements climatiques par la substitution et la séquestration du carbone. Cependant, la compréhension actuelle des échanges de carbone dans les écosystèmes forestiers et les interactions entre la forêt et l’atmosphère sont souvent inadéquatement caractérisées par les modèles de croissance empiriques existants, ce qui entraîne une mauvaise représentation dans le cas des extrapolations régionales. Dans cet article, nous décrivons le paramétrage et la validation indépendante, à partir de données expérimentales de corrélation turbulente et de croissance forestière, d’un modèle 3-PGN basé sur les processus afin d’obtenir des estimations de la séquestration du carbone dans les plantations d’épinette de Sitka (Picea sitchensis (Bong.) Carrière) en Écosse. Comparativement aux mesures de corrélation turbulente, le modèle a prédit tous les principaux flux annuels de carbone, c.-à-d. la production primaire brute (PG), la production nette de l’écosystème (PE) et la respiration de l’écosystème (RE), avec des biais inférieur à 10 %. Sur une base mensuelle, seules les valeurs de PG et PE étaient prédites avec exactitude tandis que la valeur de RE ne l’était pas. À des échelles temporelles plus longues (c.-à-d. plusieurs décennies), le modèle reflétait de manière fiable les principaux patrons du bilan du carbone. Le type de sol a été identifié comme étant le principal facteur qui influençait la productivité de la station; à long terme, les pratiques de fertilisation n’ont pas modifié le statut nutritionnel de la station. Les analyses ont aussi fait ressortir l’impact potentiel des pertes de carbone dans les sols riches en carbone. Ces pertes peuvent entraîner des différences dans la durée optimale de la rotation pour la séquestration du carbone et pour la production de matière ligneuse.

Document Type: Research Article

Publication date: 2010-12-01

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  • Published since 1971, this monthly journal features articles, reviews, notes and commentaries on all aspects of forest science, including biometrics and mensuration, conservation, disturbance, ecology, economics, entomology, fire, genetics, management, operations, pathology, physiology, policy, remote sensing, social science, soil, silviculture, wildlife and wood science, contributed by internationally respected scientists. It also publishes special issues dedicated to a topic of current interest.
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