Assessment of the invasiveness of non-native tree species in European forests

In: https://freidok.uni-freiburg.de/data/225910

Abstract

Background Non-native tree species (NNT) whose natural range is outside Europe have long been part of the cultural development of the European forest landscape, providing numerous benefits as well as posing risks to biodiversity and other ecosystem services. On the one hand, NNT are valued for their timber properties, high growth rates and resistance to drought for improving forestry or adapting forests to climate change. On the other hand, they can potentially negatively impact the environment and economy, particularly when they spread into protected areas, become established there and can only be controlled at great expense under risk management. Given their (potential) negative impacts, some NNT are classified as invasive in multiple European countries based on the results of risk assessments. The ones classified as invasive may be included in regional, national, or EU legislation, which may result in imposing restrictions on their cultivation. However, the methods applied in risk assessments across Europe were not specifically developed for NNT, and countries differ in their approaches. Existing methods may therefore not sufficiently identify the ecological risks associated with NNT unless they explicitly address the characteristics of tree species and site-specific aspects of forest management. Moreover, country-specific approaches may hamper the harmonisation of information and hinder risk assessments that extend across European borders. No studies to date have investigated the methods of risk assessments for NNT used in European forestry. Since NNT can have both risks and benefits, a careful and scientifically sound risk assessment is thus vital to provide clear evaluations for management, policy decisions and scientific purposes. Research objectives The main purpose of this thesis was to improve risk assessment approaches for the use of NNT in European forestry. In this context, the first objective was to review current risk assessment methods in Europe in terms of their suitability in identifying the ecological risks associated with NNT, thereby supporting both forest and risk management decisions (first objective). Based on the analysis of existing methods, it became obvious that it is necessary to improve the data base for risk assessments, e.g. by using forest inventory data (second objective), and to establish new criteria for assessing the risks of NNT (third objective). In summary, the main research objectives were as follows: (1) analyse the methods of existing risk assessment schemes in Europe for their practical applicability and consistency for potentially invasive non-native tree species. (2) strengthen the evidence base for risk assessments of widespread non-native tree species in Europe, using systematically collected data from forest inventories. (3) develop a risk assessment method that permits a more generalisable consideration of the costs and benefits of using non-native tree species in forests. Methods (1) Analysis of existing risk assessment tools Several risk assessment tools currently used in Germany and neighbouring countries were analysed for their practical applicability and consistency using four NNT (Fraxinus pennsylvanica Marsh., Paulownia tomentosa (Thunb. Ex Murray), Pseudotsuga menziesii (Mirb.) Franco, and Quercus rubra L.) as case studies. Literature reviews were carried out to collect the required information on the invasion biology of the four NNT in Europe. Different methods were applied by assessing the tools' criteria for each NNT using the information derived from the literature review based on the same reference area (Germany). (2) Strengthening the evidence base for risk assessments The relevance of using large scale forest inventory data for risk assessments was demonstrated using the two potentially invasive NNT, Quercus rubra and Pseudotsuga menziesii, in Germany as case studies. For this purpose, the establishment success of natural regeneration was quantified in terms of cover and height classes using national forest inventory data for Germany. The current extent of spread into protected forest habitats was investigated using a regional dataset for the State of Baden-Württemberg (south-west Germany). (4) Developing a risk assessment method for NNT First, basic principles and steps were identified and formulated for the development of a new methodological framework in order to assess the risks of NNT. Subsequently, four workshops were conducted with interdisciplinary groups of experts, public authorities, and stakeholders from the areas of forest conservation, silviculture, and nature conservation. Workshop participants were encouraged to evaluate each component of the proposed method and suggest improvements. Results and discussion Using different tools to classify risks for the same NNT yielded inconsistent results for all NNT. Different criteria are used in the methods and/or similar criteria are weighted differently. In most cases, no differentiation is made between the risks posed by NNT at different sites and ecosystem types. When data quality was poor, the precautionary principle (of considering only the worst observed effect) was typically applied without ranking the available ecological studies by their evidence. As a result, observations of small case studies are often extrapolated to large spatial scales by providing one single risk classification, i.e., typically 'invasive' or 'potentially invasive'. Such a single undifferentiated risk classification is unlikely to provide meaningful guidance for a wide range of different ecosystems and regions. Large-scale forest inventories can provide valuable data across a range of different forest types to support the risk assessments of widespread NNT in forests. Based on the assessment of Pseudotsuga menziesii and Quercus rubra, there was no evidence of high establishment and spreading potential for the majority of forest types in Germany. Natural regeneration of both NNT has been reported in a small proportion of protected forest habitats. Semi-natural forests with sufficient light in the understory and competitively inferior tree species can be considered most sensitive to invasion. To mitigate any potential negative effect of both NNT, management approaches may involve buffer zones around sensitive ecosystems. When natural regeneration of NNT is systematically recorded, the approach could also be applied in other countries or regions. A new methodological framework was developed to mitigate risks associated with the use of NNT in European forestry while taking advantage of their ecosystem services. In contrast to the previously developed risk assessment approaches, the proposed method takes different ecosystem sensitivities to NNT into consideration as well as existing silvicultural methods to control or exclude potential risks. The framework comprises eight steps and is based on the existing knowledge as well as collecting new data. In addition to the use of the proposed method, several changes of environmental policy and forest management are recommended in order to achieve positive outcomes in the sustainable management of NNT. Conclusions The analysis of existing risk assessment tools (first objective) has shown that the results of the different risk assessment methods applied in Central Europe cannot be used as a reliable decision support tool for both forest and risk management of NNT. To strengthen the evidence base for risk assessments (second objective), forest inventories can provide important data for assessing the establishment and spreading potential of widespread NNT across a range of sites, thus identifying sensitive ecosystem types. The risk assessment criteria developed in this thesis enable NNT with a low current risk to be identified and considered for planting. The criteria thus provide a framework for integrating risk mitigation into forest management and represent an important step towards reliable, Pan-European risk assessments of NNT (third objective). The knowledge derived from such risk assessments should be made available for various stakeholders. In addition, clear communication is necessary between practitioners, policymakers, and the public about the risks of NNT regarding different forest types, sites and regions, as well as available management options and uncertainties in the data. At the same time, further monitoring of NNT and more research on potential impacts are required to continuously improve the information basis for risk assessments. To strengthen the benefits of NNT while mitigating their risks, new political approaches based on unifying principles are needed in Europe. These issues need to be addressed to arrive at risk assessments that are of high practical value for the responsible use of NNT in European forestry. ; Hintergrund Nichtheimische Baumarten (engl: non-native tree species – NNT) mit einem natürlichen Verbreitungsgebiet außerhalb Europas sind seit langem Teil der kulturellen Entwicklung der europäischen Waldlandschaft und bieten zahlreiche Vorteile, können aber auch Risiken für die biologische Vielfalt und andere Ökosystemleistungen darstellen. Einerseits werden NNT wegen ihrer Holzeigenschaften, hohen Wachstumsraten und Trockenheitstoleranz geschätzt, um die Waldbewirtschaftung zu verbessern, oder die Widerstandsfähigkeit der Wälder gegenüber dem Klimawandel zu erhöhen. Andererseits können NNT sich potentiell negativ auf die Umwelt oder Wirtschaft auswirken, insbesondere, wenn sie sich in Schutzgebiete ausbreiten, sich dort etablieren und im Rahmen des Risikomanagements mit großem Aufwand reguliert werden müssen. Angesichts der möglichen negativen Auswirkungen kommen Risikobewertungen zu dem Ergebnis, dass einige NNT in mehreren europäischen Ländern als "invasiv" gelten. Wenn NNT als invasiv eingestuft werden, können sie in regionale, nationale oder EU-Gesetze aufgenommen werden, was zu Anbaubeschränkungen führen kann. Die Methoden, die derzeit zur Risikobewertung in Europa angewandt werden, wurden allerdings nicht speziell für NNT entwickelt und die Ansätze zur Bewertung sind über die Länder hinweg uneinheitlich. Daher ermitteln bestehende Methoden die ökologischen Risiken von NNT möglicherweise unzureichend, wenn sie weder die Eigenschaften von Baumarten noch die Grundsätze einer auf standörtlicher Planung differenzierten Waldbewirtschaftung berücksichtigen. Außerdem können länderspezifische Ansätze die Harmonisierung von Informationen und grenzüberschreitende Risikobewertungen erschweren. Da NNT sowohl Vor- als auch Nachteile haben können, ist eine sorgfältige wissenschaftlich fundierte Risikobewertung wichtig, um der Waldbewirtschaftung und den politischen Entscheidungsträgern klare Bewertungen zu liefern und den wissenschaftlichen Erkenntnisstand zu erweitern. Forschungsziele Das zentrale Ziel dieser Arbeit war die Verbesserung der Methodik der Risikobewertung für NNT, die forstwirtschaftlich in Europa genutzt werden. Dazu war es erforderlich zu prüfen, ob mit den derzeitigen Risikobewertungsinstrumenten in Europa die mit NNT verbundenen ökologischen Risiken ermittelt werden können und die Instrumente somit zur Entscheidungsfindung von Maßnahmen der Waldbewirtschaftung und des Risikomanagements dienen können (1. Ziel). Aus der Analyse wurde deutlich, dass es wichtig ist, die Datengrundlage der Risikobewertung z.B. anhand von Waldinventurdaten zu verbessern (2. Ziel), sowie neue Kriterien aufzustellen, die für Risikobewertungen von NNT notwendig sind (3. Ziel). In der Zusammenfassung stellen sich die Forschungsziele also wie folgt dar: (1) Analyse bestehender Instrumente der Risikobewertung in Europa auf ihre praktische Anwendbarkeit und Konsistenz für potenziell invasive nichtheimische Baumarten. (2) Stärkung der Evidenzbasis für Risikobewertungen von weit verbreiteten nichtheimischen Baumarten in Europa unter Verwendung systematisch erhobener Daten aus Waldinventuren. (3) Entwicklung einer Risikobewertungsmethode, die eine generalisierbare Betrachtung von Kosten und Nutzens nichtheimischer Baumarten in Wäldern ermöglicht. Methodik (1) Analyse bestehender Instrumente der Risikobewertung Es wurden mehrere derzeit in Deutschland und den Nachbarländern angewendete Risikobewertungsinstrumente auf ihre praktische Anwendbarkeit und Konsistenz hin untersucht, wobei vier NNT (Fraxinus pennsylvanica Marsh., Paulownia tomentosa (Thunb. Ex Murray), Pseudotsuga menziesii (Mirb.) Franco, und Quercus rubra L.) als Fallstudien verwendet wurden. Es wurden Literaturrecherchen durchgeführt, um die erforderlichen Informationen zur Invasionsbiologie der vier NNT in Europa zu sammeln. Die verschiedenen Bewertungsinstrumente wurden angewandt, indem die Kriterien der Instrumente für jede NNT anhand der aus der Literaturübersicht abgeleiteten Informationen auf der Grundlage desselben Referenzgebiets (Deutschland) bewertet wurden. (2) Stärkung der Evidenzbasis für Risikobewertungen Die Relevanz von Waldinventurdaten für die Risikobewertung wurde anhand der beiden in potentiell invasiven NNT Quercus rubra und Pseudotsuga menziesii in Deutschland in Fallstudien gezeigt. Im Rahmen dessen wurde der Etablierungserfolg der Naturverjüngung anhand von Deckungsgraden und Höhenklassen unter Verwendung der Bundeswaldinventur für verschiedene Waldtypen in Deutschland quantifiziert. Das aktuelle Ausmaß der Ausbreitung in geschützte Waldlebensräume wurde anhand eines regionalen Datensatzes für das Bundesland Baden-Württemberg (Südwestdeutschland) untersucht. (3) Entwicklung einer neuen Risikobewertungsmethode Zur Entwicklung eines neuen methodischen Rahmens zur Bewertung der Risiken von NNT wurden zunächst die erforderlichen Grundlagen und Komponenten identifiziert und beschrieben. Im Anschluss wurden vier Workshops mit interdisziplinären Gruppen aus Experten, Behörden und Interessenvertretern aus den Bereichen Waldschutz, Waldbau und Naturschutz, durchgeführt. Zur Validierung der für europäische Waldökosysteme neu vorgeschlagenen Methode, bewerteten die Workshop-Teilnehmer alle Komponenten der neuen Methode und waren aufgerufen Verbesserungen vorzuschlagen. Ergebnisse und Diskussion Verschiedene Instrumente zur Risikobewertung führten für dieselbe NNT bei allen vier NNT zu uneinheitlichen Ergebnissen. Die Ursachen sind unter anderem die Verwendung von unterschiedlichen Kriterien innerhalb der Methoden und/oder die unterschiedliche Gewichtung ähnlicher Kriterien. Bei den meisten Instrumenten wird nicht zwischen den Risiken unterschieden, die von NNT an verschiedenen Standorten oder innerhalb verschiedener Ökosystemtypen ausgehen. Wenn die Datenlage unsicher ist, wird häufig das Vorsorgeprinzip (Annahme des schlimmsten möglichen Falls) angewandt, ohne die verfügbaren ökologischen Studien gemäß ihrer Evidenz zu berücksichtigen. Infolgedessen werden Beobachtungen aus kleinen Fallstudien auf große räumliche Maßstäbe extrapoliert, indem eine einzige Risikoeinstufung vorgenommen wird, in der Regel "invasiv" oder "potenziell invasiv". Eine solche undifferenzierte Risikoklassifizierung liefert keine aussagekräftigen Anhaltspunkte für das Management verschiedener Ökosysteme und Regionen. Groß angelegte Waldinventuren können wertvolle Daten für verschiedene Waldtypen liefern und so die Risikobewertungen von weit verbreiteten NNT verbessern. Die Bewertung von Pseudotsuga menziesii und Quercus rubra ergab zum Beispiel keine Hinweise auf ein hohes Etablierungs- und Ausbreitungspotenzial beider Baumarten in den meisten Waldtypen in Deutschland. Naturverjüngung beider NNT wurde nur in einem kleinen Teil der geschützten Waldstandorte festgestellt. Naturnahe Wälder mit weniger konkurrenzstarken Baumarten und ausreichend Licht im Unterholz können als besonders anfällig für eine Invasion angesehen werden. Zur Abschwächung möglicher negativer Auswirkungen beider NNT empfiehlt es sich daher, Pufferzonen um empfindliche Ökosysteme einzurichten. Wenn die Naturverjüngung von NNT systematisch erfasst wird, könnte solch eine Risikobewertung auch in anderen Ländern oder Regionen angewendet werden. Um die mit der Verwendung von NNT in europäischen Wäldern verbundenen Risiken zu verringern und gleichzeitig die Vorteile ihrer Ökosystemleistungen zu nutzen, wurde in dieser Arbeit ein neuer methodischer Rahmen entwickelt. Im Gegensatz zu früher entwickelten Ansätzen ermöglicht die vorgeschlagene Methode die Berücksichtigung unterschiedlicher Empfindlichkeiten von Ökosystemen gegenüber NNT und bestehende waldbauliche Steuerungsmöglichkeiten zur Risikokontrolle und -vermeidung. Die Methode ist in acht Schritte gegliedert und basiert sowohl auf vorhandenem Wissen als auch auf Erhebung neuer Daten. Um eine verantwortungsvolle Nutzung von NNT zu forcieren, wurden neben der Anwendung der vorgeschlagenen Methode auch verschiedene Änderungen in der Umweltpolitik und der Waldbewirtschaftung empfohlen. Schlussfolgerungen Die Analyse der bestehenden Instrumente zur Risikobewertung (1. Ziel) hat gezeigt, dass die in Mitteleuropa angewandten Methoden keine zuverlässige Entscheidungshilfe für Maßnahmen der Waldbewirtschaftung und des Risikomanagements von NNT sind. Die Erweiterung der Datengrundlage (2. Ziel) mithilfe von Waldinventuren kann wertvolle Informationen zur Etablierung und natürlichen Ausbreitung von NNT über die ganze Bandbreite von Waldökosystemen liefern und somit zur Identifikation besonders sensibler Ökosysteme beitragen. Die in dieser Arbeit entwickelten Bewertungskriterien ermöglichen es, NNT mit einem geringen aktuellen Risiko zu identifizieren und beim zukünftigen Anbau zu berücksichtigen. Die Kriterien bieten somit einen Rahmen zur Risikominderung innerhalb der Waldbewirtschaftung und stellen einen wichtigen Schritt in Richtung einer zuverlässigen, europaweiten Risikobewertung von NNT dar (3. Ziel). Die aus solchen Risikobewertungen gewonnenen Erkenntnisse sollten den verschiedenen Interessengruppen zur Verfügung gestellt und mit Praktikern, politischen Entscheidungsträgern und der Öffentlichkeit klar kommuniziert werden. Dies beinhaltet eine differenzierte Darstellung der Risiken in Bezug auf verschiedene Waldtypen, Standorte und Regionen, sowie den Möglichkeiten der waldbaulichen Steuerung der NNT und mögliche Unsicherheiten der Datengrundlage. Gleichzeitig ist ein laufendes Monitoring der NNT und mehr Forschung zu möglichen Auswirkungen erforderlich, um die Informationsgrundlage für Risikobewertungen zu verbessern. In Europa sind einheitliche Regularien auf der Grundlage gemeinsamer Prinzipien erforderlich, um die mit NNT einhergehenden Risiken zu mindern und ihre Vorteile zu nutzen. All diese Punkte sind essentiell, um Risikobewertungen von NNT so durchzuführen, dass sie von hohem praktischen Nutzen für einen verantwortungsvollen Umgang mit NNT in der europäischen Forstwirtschaft sind.