Faculté de l'environnement naturel, architectural et construit ENAC, Section des sciences et ingénierie de l'environnement, Institut des sciences et technologies de l'environnement ISTE (Laboratoire de gestion des écosystèmes GECOS)

Dead wood in managed forests: how much and how much is enough? : development of a snag-quantification method by remote sensing & GIS and snag targets based on Three-toed woodpeckers' habitat requirements

Bütler Sauvain, Rita ; Schlaepfer, Rodolphe (Dir.)

Thèse sciences Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2003 ; no 2761.

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    Summary
    The aims of this research were twofold: to develop an efficient method for the quantification of large spruce snags (standing dying and dead trees), and to establish snag target values for sustainable forest management. We answer the two basic questions: how much dead wood is currently available in managed forests? And how much dead wood is enough for biodiversity conservation? It is widely accepted that modern forest management has to be sustainable. One generally recognised criterion of sustainability is the maintenance of biodiversity. Since this concept encompasses a large range of scales and features (landscapes, ecosystems, species and genes; components, processes, functions, etc.), biodiversity indicators have been identified for measurement and monitoring purposes. ‘Dead wood’ has been recognised as a key indicator for biodiversity in forest ecosystems. Verifying and assessing progress towards biodiversity maintenance or restoration hence requires the measurement of different kinds of dead wood. Yet cost-efficient and rapid methods are still lacking. That is why we developed in this thesis an efficient method for the quantification of large spruce snags. Being based on infrared Aerial Photos and a Geographic Information System (GIS), it is called the AP-GIS-method. It enables mapping of snags and calculation of the spatial snag-density, i.e. the number of snags per hectare, and can be used to answer the question: How much dead wood is in managed forests? Beside techniques to assess dead-wood quantities, forest managers need quantitative target values, i.e. guidelines in order to know how much dead wood should be maintained in managed forests for biodiversity conservation. Natural forests may be used as reference systems to define such targets. However, since dead-wood amounts in natural forests may be extremely high, up to 30% of dead trunks, the retention of such amounts in managed forests would hardly be compatible with economic objectives. Another possibility for defining guidelines is the translation of the habitat requirements of deadwood- dependent species into management targets. The Three-toed woodpecker Picoides tridactylus has previously been recognised as a potential indicator species of features characteristic for forests with natural dynamics (especially old-growth). Although ecological studies had demonstrated its need of dying and dead trees for foraging, nesting and drumming, the required density of such trees has never been quantified. In this thesis, we analysed the dependence on dead wood for both European subspecies, the Alpine Picoides tridactylus alpinus and the northern P. tr. tridactylus. The study was conducted in sub-Alpine spruce forests in Switzerland and boreal forests in central Sweden. In both countries, we found a significant non-linear response of the probability of woodpecker presence to different amounts of dead trees, and identified critical ecological thresholds for the local presence of this species. Clearly, the Three-toed woodpecker depends on relatively high amounts of dying and dead trees. In Switzerland, the road network density negatively affected the presence of this woodpecker species, since a high road density facilitates forest management intensification and the removal of diseased and dead trees. Based on our results, and since several other links with biodiversity have previously been demonstrated, we suggest that Three-toed woodpeckers be considered indicators of dead wood and habitat quality. This species has therefore been used in this thesis to find an answer to the question: How much dead wood is enough in managed forests? In order to ascertain dead-tree targets, we developed a bioenergetic model for Threetoed woodpeckers, enabling estimation of snag amounts required by this species to satisfy its energy needs. By comparing modelling results with the previously identified critical dead-wood thresholds, we were able to derive reliable targets, since both approaches resulted in similar critical values. We recommend, for both boreal and sub-Alpine spruce forests, aiming for 5% of the standing tree basal area, or volume to be dead. Such snag-retention levels, to be applied over an area of about 100 ha, correspond in sub-Alpine forests to a basal area of ≥ 1.6 m2 ha-1, or a volume of ≥ 18 m3 ha-1, or a minimum of 14 snags with a diameter ≥ 21 cm per hectare. Considered as a pragmatic way to stimulate forest managers’ interest in dead wood maintenance or restoration, we analysed the potential usefulness of Three-toed woodpeckers as natural agents against bark beetles. By defining three scenarios for different levels of woodpecker effectiveness, we compared the numbers of bark beetles consumed with those caught in pheromone traps used in forestry. We demonstrate that woodpeckers catch 2-19 times more bark beetles than traps do. This result is true for both cases, when one woodpecker is compared with one trap, and when the whole Swiss woodpecker population is compared to all traps installed in Swiss forests.
    Résumé
    Cette recherche poursuit deux buts: d'une part de développer une méthode efficace pour quantifier des arbres morts sur pied, et d'autre part, d'élaborer des valeurs de références pour une gestion forestière durable en ce qui concerne la quantité de tels arbres nécessaires pour le maintien de la diversité biologique. Nous traitons les deux questions suivantes: Combien de bois mort se trouve-t-il actuellement dans les forêts gérées ? Et quelle est la quantité nécessaire, afin de garantir une biodiversité élevée ? A l'heure actuelle, le principe d'une gestion forestière moderne dite durable est largement accepté. Parmi les critères de durabilité figure la conservation de la diversité biologique. Ce concept complexe englobe cependant de multiples échelles (paysages, écosystèmes, espèces et gènes), ainsi que de nombreuses caractéristiques (composantes, processus, fonctions etc.), ce qui rend sa mesure et surveillance fort compliquées. C'est la raison pour laquelle des indicateurs de biodiversité ont été identifiées. Le « bois mort » figure parmi les indicateurs clé pour la diversité biologique dans l'écosystème forestier. Cela signifie que pour vérifier les progrès effectués en vue de maintenir ou de restaurer la biodiversité, le bois mort dans ses différents états doit être quantifié. Néanmoins, il n'existe pas encore de méthodes efficaces et rapides. Afin de combler cette lacune nous avons développé une méthode efficace permettant de quantifier des épicéas morts de gros diamètre. Cette méthode, appelée AP-GIS-méthode, s'appuie sur la photo aérienne infra-rouge (Aerial Photo) et un Système d'information géographique (Geographic Information System). Grâce à elle, il est possible de créer des cartes de répartition spatiale d'arbres secs, ainsi que de calculer leur nombre par surface (p.ex. par hectare). Cette méthode permet de répondre à la question de savoir combien de bois mort se trouve actuellement dans les forêts gérées. Outre des techniques fiables de mesure de bois mort, les gestionnaires des forêts ont également besoin de valeurs quantitatives de référence, c'est-à-dire des recommandations précisant la quantité de bois mort nécessaire au maintien de la diversité biologique. Une possibilité de définir de telles valeurs est de se fonder sur des systèmes de référence, telles les forêts naturelles. Néanmoins, les quantités de bois mort dans ces forêts peuvent s'avérer extrêmement grandes, allant jusqu'à 30% du volume total sur pied. Appliquer des valeurs de référence si élevées serait incompatible avec les objectifs économiques de forêts exploitées. Une autre possibilité de définir des recommandations de gestion est de se baser sur les besoins d'habitats de certaines espèces dépendant du bois mort. Le Pic tridactyle Picoides tridactylus a déjà été identifié comme indicateur potentiel de caractéristiques typiques de forêts avec une dynamique naturelle (en particulier de vieux peuplements). Même si des études écologiques concernant ce pic ont démontré son besoin en arbres sénescents et morts pour se nourrir, creuser sa cavité et tambouriner, la quantité nécessaire en termes absolus n'a jamais été évaluée. Dans cette recherche nous avons analysé la dépendance des deux sous-espèces européennes alpine et nordique, le Picoides tridactylus alpinus et le P. tr. tridactylus du bois mort. L'étude a été menée dans des forêts subalpines en Suisse, ainsi que dans des forêts boréales en Suède. Dans les deux pays nous avons pu mettre en évidence une relation non-linéaire entre la probabilité qu'un territoire de pic soit effectivement occupé par cet oiseau et la quantité d'arbres morts présents. Il a été possible de déterminer des valeurs seuil de bois mort nécessaire, afin d'assurer la présence locale du Pic tridactyle. Très clairement, ce pic dépend d'une quantité d'arbres sénescents et mort relativement élevée. Nous avons également constaté que la densité élevée du réseau routier forestier en Suisse exerce une influence négative sur la présence de cet oiseau. La raison est qu'une densité de route élevée facilite l'accès à la forêt et ainsi l'intensification de la gestion, souvent allant de pair avec l'abattage d'arbres malades ou morts. En nous basant sur nos résultats, et en nous référant à d'autres études ayant démontré des liens entre le Pic tridactyle et la biodiversité, nous suggérons de considérer cette espèce comme indicatrice de bois mort et d'un habitat de qualité. Dans la suite de notre recherche nous avons donc utilisé ce pic pour répondre à la question suivante : Combien de bois mort devrait-on maintenir dans une forêt gérée, afin de garantir une biodiversité élevée? Avec le but d'élaborer des valeurs de référence de bois mort, nous avons développé un modèle bioénergétique pour le Pic tridactyle. Ce modèle permet de prédire la quantité d'arbres morts nécessaire, pour que cet oiseau puisse satisfaire ses besoins énergétiques. Par la comparaison des résultats de modélisation avec les valeurs seuil de bois mort identifiées auparavant, nous avons pu déterminer des valeurs de référence jugées fiables, car les résultats des deux approches étaient très similaires. Nous recommandons de laisser un volume (ou une surface terrière) d'arbres morts sur pied correspondant à 5% du volume total (ou de la surface terrière totale) sur pied. Ce pourcentage de bois mort devrait être maintenu sur des surfaces d'environ 100 ha. Dans les forêts subalpines cela représente une surface terrière de ≥ 1.6 m2 ha-1 ou un volume de ≥ 18 m3 ha-1 ou au minimum 14 arbres morts avec un diamètre de ≥ 21 cm par hectare. En tant que moyen pragmatique pour stimuler l'intérêt des gestionnaires pour le maintien de bois mort dans la forêt, nous avons analysé l'utilité potentielle du Pic tridactyle comme ennemi naturel des bostryches. En définissant trois scénarios différents d'efficacité du pic, nous avons comparé le nombre de bostryches capturés par cet oiseau avec celui piégé par des pièges à phéromones utilisés en foresterie. Il s'est avéré que le pic détruit 2-19 fois plus d'insectes que les pièges. Ce résultat est valable si un individu de pic est comparé à un piège, mais également si l'on compare toute la population de Pics tridactyles suisses avec tous les pièges installés dans les forêts en Suisse.
    Zusammenfassung
    Diese Studie verfolgt zwei Ziele: erstens die Entwicklung einer rationellen Methode für die Quantifizierung von grossen, stehenden toten Fichten und zweitens die Erarbeitung von ökologischen Totholz-Zielgrössen zur Erhaltung von Biodiversität. Wir beantworten die folgenden zwei grundlegenden Fragen: Wieviel Totholz ist zur Zeit in Wirtschaftswäldern vorhanden? Und wieviel Totholz ist nötig zur Erhaltung der biologischen Vielfalt? Gemäss der heutigen allgemeinen Auffassung muss moderne Waldbewirtschaftung nachhaltig sein. Ein wichtiges Nachhaltigkeitskriterium ist die Erhaltung der biologischen Vielfalt. Dieses Vorhaben ist jedoch kompliziert und umfasst vielerlei Ebenen (Landschaften, Oekosysteme, Arten, Gene) sowie Merkmale (Komponenten, Abläufe, Funktionen). Deshalb sind für Mess- und Monitorzwecke schon verschiedene Biodiversitäts-Indikatoren bestimmt worden. Ein Schlüsselindikator für biologische Vielfalt im Waldökosystem ist Totholz. Um die Fortschritte in Richtung Erhaltung oder Wiederherstellung der Biodiversität zu überprüfen, müssen darum die verschiedenen Totholzformen gemessen werden. Jedoch fehlen zur Zeit noch kostengünstige, schnelle Methoden. Aus diesem Grund haben wir in dieser Studie eine rationelle Methode für die mengenmässige Erfassung von Totholz, genauer gesagt von grossen, stehenden toten Fichten entwickelt. Die Quantifizierung erfolgt mittels Luftbildern (Aerial Photos) und einem Geografischen Informationssystem (Geographic Information System), und wird deshalb AP-GIS-Methode genannt. Mit Hilfe dieser Methode können einerseits Totholz-Karten angefertigt werden, andererseits kann die Totholzdichte pro Flächeneinheit (z.B. Hektare) berechnet werden. Die Methode dient somit zur Beantwortung folgender Frage: Wieviel Totholz ist zur Zeit in Wirtschaftswäldern vorhanden? Nebst Techniken für Totholzquantifizierung brauchen Forstpraktiker auch Zielgrössen, d.h. Richtlinien, um zu wissen, wieviel Totholz für die Erhaltung der biologischen Vielfalt nötig ist. Für die Festlegung solcher Zielgrössen kann man sich z.B. an Totholzmengen in Naturwäldern orientieren. Jedoch sind diese manchmal extrem hoch, bis zu 30% des stehenden Vorrats, weshalb solche Richtwerte in Wirtschaftswäldern mit vorwiegend ökonomischer Funktion kaum anwendbar wären. Eine andere Möglichkeit besteht darin, Zielgrössen aus Habitatsansprüchen totholzabhängiger Tierarten abzuleiten. Der Dreizehenspecht Picoides tridactylus ist in früheren ökologischen Untersuchungen als potentielle Indikatorart für Merkmale natürlicher Wälder (insbesondere Altholzbestände) erkannt worden. Obwohl seine Abhängigkeit von sterbenden und toten Bäumen für Nahrungssuche, Höhlenbau und Trommeln bekannt ist, wurde nie untersucht, wieviel Totholz für diese Spechtart effektiv nötig ist. Deshalb haben wir in unserer Studie die quantitative Totholzabhängigkeit der beiden europäischen Unterarten, d.h. der Alpinform Picoides tridactylus alpinus und der Nominatform P. tr. tridactylus, untersucht. Diese Untersuchung ist in subalpinen Fichtenwäldern der Schweiz sowie in borealen Nadelwäldern Schwedens durchgeführt worden. In beiden Fällen fanden wir eine signifikante nichtlineare Korrelation zwischen zunehmender Totholzmenge und der Wahrscheinlichkeit, dass ein Spechtterritorium besetzt ist. Wir konnten daraus ökologische Totholz-Schwellenwerte für das lokale Vorkommen dieser Art ableiten. Es zeigt sich eindeutig, dass der Dreizehenspecht relativ grosse Totholzmengen braucht. In der Schweiz stellten wir zudem fest, dass die Wahrscheinlichkeit, ein besetztes Spechtterritorium anzutreffen, durch ein dichtes Waldstrassennetz negativ beeinflusst wird. Dies liegt daran, dass eine hohe Strassendichte eine Intensivierung der Bewirtschaftung und somit das Entfernen geschwächter und toter Bäume erleichtert. Aufgrund unserer Resultate sowie anderer Hinweise aus der Wissenschaft auf Beziehungen zwischen Dreizehenspecht und Biodiversität schlagen wir vor, diese Vogelart als Indikator für Totholz und Habitatsqualität zu qualifizieren. Aus dieser Ueberlegung haben wir diese Spechtart auch benützt zur Beantwortung der folgenden Frage: Wieviel Totholz braucht es in Wirtschaftswäldern? Wir haben ein bioenergetisches Modell für den Dreizehenspecht erarbeitet mit dem Zweck, Totholz-Zielgrössen festzulegen. Dieses Modell sagt voraus, wie viele stehend-tote Bäume nötig sind, damit dieser Specht seinen Energiebedarf decken kann. Die Aussagen des Modells sind anschliessend mit den schon besprochenen Totholz- Schwellenwerten verglichen worden. Da beide Ansätze zu ähnlichen Resultaten führten, konnten wir verlässliche Zielgrössen formulieren. Wir empfehlen sowohl für subalpine als auch für boreale Nadelwälder einen Anteil von 5% toten Bäumen (Basalfläche oder Volumen) anzustreben. Dieser prozentuale Totholzanteil sollte auf etwa 100 ha grossen Flächen als Mittelwert vorliegen. Für subalpine Nadelwälder entspricht dies einer Basalfläche von ≥ 1.6 m2 ha-1 oder einem Volumen von ≥ 18 m3 ha-1 oder 14 toten Stämmen mit einem Durchmesser von mindestens 21 cm pro Hektare. Wir haben überdies den potentiellen Nutzen des Dreizehenspechts als natürlicher Borkenkäferfeind analysiert, sozusagen als pragmatischen Weg, um unter Forstleuten das Interesse für das Belassen von Totholz im Wald zu fördern. Wir haben die Anzahl vertilgter Borkenkäfer verglichen mit der Anzahl Käfer, die in herkömmlichen Borkenkäfer-Pheromonfallen gefangen werden. Dafür wurden drei Szenarien mit unterschiedlicher Effizienz des Spechtes definiert. Gemäss unseren Resultaten vertilgen Dreizehenspechte 2-19 mal mehr Käfer als Fallen. Dies gilt sowohl für den Vergleich eines Spechtes mit einer Falle als auch für die Gegenüberstellung der ganzen Schweizer Spechtpopulation und sämtlicher Borkenkäferfallen in Schweizer Wäldern.