Characterizing individual tree biomass for improved biomass estimation in Norwegian forests
Abstract
Accurate estimates of tree biomass are necessary in order to realize climate change mitigation strategies such as large-scale carbon accounts of sources and sinks through time and biomass stocks for bioenergy. Biomass is also an important surrogate to evaluate the status of biodiversity, freshwater, and soil resources. Improving the estimation of biomass for each of these purposes begins with improving the estimate at the level of the individual tree and ends with that estimate scaled-up to the appropriate scale. This thesis sought to address specific knowledge gaps related to biomass estimation in Norway by improving individual tree biomass estimation through four peer-reviewed papers. In Paper I, single-tree allometric birch biomass functions were derived for total aboveground and component biomass. In Paper II, single-tree allometric birch biomass functions were derived for belowground and whole tree biomass. In Paper III, the uncertainty due to the vertical variation in dry weight to fresh weight ratio on the national birch stem biomass stock estimate was estimated for the first time. In Paper IV, extracted root system volume and 3D structure was estimated with a terrestrial laser scanner and quantitative structure modeling cylinder fitting. The derived allometric functions from Papers I and II are the best available for estimating birch biomass stock and stock change in Norway. The uncertainty due to the vertical variation in dry weight to fresh weight ratio from Paper III had a minimal effect on the national stem biomass estimate, but should be considered in future national biomass uncertainty estimates. Scanned root systems reconstructed with quantitative structure models provided accurate root volume estimates and 3D root system structure. The four papers have effectively improved biomass estimation in Norway and could be used to improve biomass estimation elsewhere. Nøyaktige beregninger av biomassen til enkelttrær er nødvendig for å realisere strategier som reduserer klimaendringer, for eksempel nasjonale karbonbudsjetter og skogbiomasse tilgjengelig for bioenergi. Biomasse er også en viktig variabel for å vurdere status for biologisk mangfold, ferskvanns-, og jordressurser. Forbedret biomasseestimering for hvert av disse formål begynner med å forbedre estimatet på enkelttrenivå og ender med at anslaget blir skalert opp til passende nivå. Denne avhandling behandler spesifikke kunnskapshull knyttet til biomasseestimering i Norge gjennom fire vitenskapelige artikler. I artikkel I ble allometriske biomassefunksjoner for enkelttrær av bjørk utledet for total overjordisk biomasse samt for ulike overjordiske biomassekomponenter. I artikkel II ble biomassefunksjoner for bjørk utledet for treets underjordiske dele og totalbiomassen. I artikkel III ble usikkerheten i nasjonale biomasseestimater for bjørk som skyldes den vertikale variasjonen av forholdet mellom tørrvekt og ferskvekt i stammen estimert. I artikkel IV ble volum og den tredimensjonale struktur av hele rotsystemet estimert ved hjelp av data fra en bakkelaserskanner gjennom kvantitativ strukturmodellering og sylindertilpasning. De utviklede funksjoner fra artiklene I og II er de beste tilgjengelige for beregning av stående biomasse og biomasseendringer for bjørk i Norge. Usikkerheten i biomasseestimater som skyldes vertikal variasjon i forholdet mellom tørrvekt og ferskvekt i bjørkestammer (artikkel III) hadde minimal effekt på nasjonale estimater for stammebiomasse, men bør vurderes i fremtidige anslag for usikkerheten i nasjonale biomasseestimater. Rotsystemer rekonstruert med kvantitative strukturmodeller fra laserskannerdata ga nøyaktige anslag over rotsystemets
volum og tredimensjonale struktur. De fire artiklene har forbedret grunnlaget for biomasseestimering i Norge, og kan brukes til å forbedre biomasseestimering andre steder.