Impact of changing climate and disturbances on forests providing protection from gravitational hazards

1. Impact of changing climate and disturbances
on forests providing protection from
gravitational hazards
G Vacchiano, R Berretti, A Bottero, F Meloni,
E Sibona, E Borgogno Mondino, R Motta
C-11 (143) Forest Resistance And Resilience In The Face Of Natural Hazards

2. Hazard
Forest
Target

3. Value of protection function
Landslides in Colorado, 2010:
9,000,000 $ (direct damage)
Source: USGS
Avalanches in Switzerland, 1999:
600,000,000 $ total damage
Source: Swiss Platform on Natural Hazards

4. Rockfall net: 150.000 $ / 100 m
Wooden avalanche barriers: 400.000 / ha
Steel avalanche barriers: 1.000.000 / ha
Protection gallery: 2.500.000 / 100 m
Source: Swiss Federal Office for the Environment

5. Legislation
§ Italy, 1923
Clearcut ban
Limitations to harvest for soil protection
§ Switzerland, 1991
Payment to Cantons per hectare of PF managed
§ Italy, 2010
PF must be mapped in management plans

6. Managers’ needs
Which forests are to be considered PF?
What characteristics make them most effective?
How to maintain (or restore) PF under the pressure
of disturbances and climate change?

7. 1. Mapping protection forests
Potential hazard
(forested, slope >40%)
Actual targets Watershed delineation
ArcHydro Tools watershedPoint

9. Valle d’Aosta region: 43% of forests are PFMeloni F et al. - Forest@ 3 (3): 420-425
così generati sono stati successivamente limitati dai
confini dei catchments, per individuare le aree di per-
diretta (III livello) sono il 42.7% dell’intera superficie
forestale valdostana (40557 ha - fig. 2).
Fig. 2 - Carta delle foreste di protezione diretta della Valle d’Aosta.
PF
Other forests
Meloni et al. 2006

10. Other mapping methods
Historical
events
Risk analysis
Vulnerability
Mechanistic models
Rockyfor3D, RAMMS,
FlowR, GEOtop

11. 2. Characteristics of PF
Canopy cover,Tree density, gaps
Tree stability and vigorTree size
Frehner et al. 2005

12. Frehner et al. 2005
Species
Tree size
Density,
gaps
Tree
stability
Regen
Desired profile Current profile Trend
50 yrs
10 yrs
Stand-scale assessment

13. Riparian PF
In-stream material
Bank material
Tree stability
Regen

14. Catchment-scale assessment
Image segmentation
Management units
LiDAR
Management priority
(trend vs. desired profile)

15. Mechanistic assessment
Viglietti et al. 2010
§ 15 within-forest avalanche plots + 15 control plots
§ T-test on forest structure characteristics
§ Planned replication across whole Alpine space
ts
re
of
on
an
as
°)
be
es
te
se
or
me
he
ng
pe
st
se
on
al
ve
wo
ea,
thus only one plot B was chosen between the two starting zones:
finally, 15 plots A and 12 plots B have been analyzed.
The field sheet included both the site description (altitude, aspect,
shrub, herb and stone cover) and the forest structure analysis
(species, stem density, diameter breast height (dbh), crown size,
height).
Only trees with dbhN8 cm were measured because small trees
cannot exert a protective function according to the literature
(Meyer-Grass, 1987). However, for data analysis, two kinds of
ons (NW, C, SE). Numbers denote the ID of the analyzed avalanches that released within forests
re.
1
2
3
4
5
6
7
p= .08
TreesDBH>16cm

16. www.ecorisq.org/rockfor-net-en
Dorren et al. 2006

17. 3. Management actions
Follow from current vs. desired profile
Patch cut Thinning for stability Tree planting

18. Collaborative management
§ INTERREG projects 2006-12
§ 37 experimental sites in IT-FR-CH
§ Tree marked collaboratively, then harvested
§ Baseline to monitor management effects on PF
§ Guidelines for practitioners
www.interreg-­‐forets-­‐protec/on.eu
costi, di valutarne la loro applicazione in altri contesti. Infine, i
cantieri saranno soggetti a monitoraggio a lungo termine, per
valutare l’efficacia degli interventi realizzati sulla stabilità dei
popolamenti forestali, sulla funzione di protezione e la sicurez-
za dei beni da proteggere.
La dimensione degli 8 cantieri sperimentali, compresa tra i 2 e
10 ettari, ha permesso di affrontare il problema della gestio-
ne dei boschi di protezione attraverso una scala di intervento
più ampia rispetto al precedente progetto, nel quale le aree si
imitavano a un solo ettaro. Questo ha permesso di evidenzia-
e come, in boschi di protezione, l’identificazione di più situa-
zioni morfologiche del versante e di più situazioni strutturali
del popolamento impongono una attenta analisi dei singoli
“settori” del cantiere e una loro contestualizzazione all’inter-
no del cantiere stesso. La diversa scala di intervento adottata
ha reso questi cantieri dei casi di studio molto più simili alle
ealtà gestionali presenti sul territorio; questo ha permesso di
analizzare in modo più concreto le problematiche che gli enti
gestori devono affrontare (allestimento del cantiere e gestione
n sicurezza delle diverse fasi, destinazione finale del legname
utilizzato, ecc.).
34 35
efficace è la stabilizzazione del manto nevoso attraverso opere di difesa
attiva quali i cavalletti in legno.Tali opere stabilizzano il manto nevoso
sino a una altezza pari a quella della struttura, mentre la loro azione
laterale arriva a 4-5 m verso valle e circa 2 m lungo le curve di livello.
Per tale motivo il loro utilizzo prevede la costruzione di più cavalletti
ravvicinati con una distanza lungo la linea di massima pendenza che var
in funzione di questo parametro (all’aumentare della pendenza si riduce
distanza tra i cavalletti). Nel cantiere in esame sono stati quindi realizzat
all’interno di due canalini di valanga, 25 cavalletti in legno seguendo du
tipologie costruttive diverse. Inoltre, essendo queste opere temporanee,
è necessario realizzare, eventualmente anche in una fase successiva alla
loro costruzione, interventi a favore della rinnovazione, quali la rottura
del cotico erboso, al fine di favorire l’esposizione di suolo minerale; la
creazione di piccoli gradonamenti, al fine di interrompere la morfologia a
elevata pendenza oppure realizzare nuclei di rimboschimento.
Settore 4
La compilazione della scheda di stabilità ha evidenziato il rischio di
una eccessiva semplificazione della struttura sia per strati che per classi
diametriche, anche per la scarsità delle componenti della rinnovazione.
Date però le caratteristiche complessive del cantiere e la limitata superfi
interessata da queste formazioni strutturali, si è ritenuto non necessario
intervenire rimandando a una valutazione futura questa eventualità.

19. Cost-benefit analysis (100 years)
Dupire 2011
Costs: actual harvesting
30 – 160 $/ha/year
Benefit: Avoided costs / Substitution costs
25.000 – 130.000 $/h (timber: 40.000)
80 – 230 $/ha/year

20. Fig. 8 Low-risk zone for
avalanche release hazard
(slope = 35°). Low-risk
boundaries express: a minimum
basal area, b SDI for minimum
crown ratio, c maximum HT100/
DD ratio. Red lines: maximum
gap size for d NNI = 0.5
(clumped tree spatial pattern)
and NNI = 1 (random pattern)
according to Eq. 7. Starting
stand conditions, EOR, and
unmanaged stand trajectory as
in working example for Fig. 5
546 Eur J Forest Res (2013) 132:535–549
Author's personal copy
is stand area (m ), drock is the relevant diameter of
oulders (m), i.e., 0.3 m (0.5 m for minimal protec-
is stand density, Sdbhi is the sum of tree dbh (m),
mputed by multiplying QMD by tree density.
arger than 0.3 times the diameter of the target
nderness: lower than 80 (90) in dominant trees. A
ess boundary may be represented on the DMD,
ing for the height term in Eq. (4);
wn ratio: higher than 40% (30%) in trees or cluster
supporting the stability of the stand. A relative SDI
should ensure a mean live crown ratio higher than
60 and 30% respectively for minimal protection), a
representing a generally acceptable level of
al tree vigor (Long, 1985);
(9) SDI: ranging from 600 to 1000 in order to avoid both
excessive openness of the stand and stability threats due to
crowding; this requirement is automatically met by
implementing the previous indications.
Where applicable, tree and stand structural requirements
were plotted on the DMD in order to enclose a suitability zone
for rockfall protection. The transition from non-effective to
fully functional structures can be smoothed out by assigning
weights proportional to the protective effect associated with
different values of the structural parameters under considera-
tion. Each functionality zone can then be characterized by a
synthetic index of direct protection which is the sum of the
weights (Motta and Haudemand, 2000). We adopted a
simplified weighting scheme with a two-value scale,
ity zone for optimal (I) and minimal (II) protection from rockfall. Size-density combinations determining complete canopy closure (dash and dotted
mposed on the DMD. Suitability zones are defined by (a) minimum crown closure; (b) minimum MTFD; (c) minimum crown ratio; (d) maximum tree
Management effects over time
Vacchiano et al. 2008, 2012
Density management diagrams
Pinus sylvestris Picea abies

21. 4. Disturbances

22. Post-disturbance questions
§ Where is the priority for restoration of PF?
§ How much time for the recovery of PF?
Planting or natural regeneration?
§ Salvage logging? (role of woody debris)
§ Mitigation actions for biotic disturbances?

23. Post-disturbance recovery
PCA of six LANDSAT TM-5 bands (30 September, 2011)
Overlay to disturbance and PF polygons to assess recovery

24. sti, i quali possono sopravvivere in una percentuale che varia
in funzione della loro stabilità individuale, sia perché non con-
suma i tessuti legnosi (tutta la necromassa viene accumulata a
terra). La necromassa al suolo spesso mitiga gli effetti negativi
sulla funzione protettiva, ad esempio trattenendo i massi in
caduta, almeno per il tempo necessario affinché una nuova
generazione di alberi si insedi o la rinnovazione preesistente al
disturbo si affermi (Figura 3.15).
Il regime idrico del terreno è alterato in seguito all’aumento
del quantitativo di acqua che raggiunge il suolo con le preci-
pitazioni e alla contemporanea riduzione del consumo da par-
te della vegetazione. L’incremento dell’infiltrazione nel suolo
produce modifiche nel movimento dei nutrienti e del materiale
fine lungo il profilo che, in alcuni tipi di suolo, può determinare
una saturazione della porosità tale da aumentare il grado di
saturazione idrica. Conseguenza diretta di questo fenomeno
sono una maggior tendenza alla compattazione e una riduzio-
Figura 3.15 Necromassa al suolo con funzione di stabilizza-
Post-disturbance experiments
Post-fire chronosequence Post-fire seed germination
Post-windstorm deadwood Snag decay

25. Post-disturbance experiments
Effects of soil changes and dispersal distance
on post-fire germination of Scots pine
Vacchiano et al. 2014
Fig. 1. Study area, fire perimeters, and location of sampling plots. Coordinate system: UTM WGS 1984, zone 32 North (units: m).

26. Post-disturbance experiments
Effects of soil changes and dispersal distance
on post-fire germination of Scots pine
Vacchiano et al. 2014
tively affected by distance from the seed trees (beta = −2.23),
Table 4
GLM of pine seedling density (Beta: standardized regression coefficients; p: statistical
significance of predictor).
Beta p
(Intercept) −0.180 0.676
Tree cover 0.036 0.875
Coarse woody debris cover 0.748 0.003
Distance from seed trees −2.233 b0.001
Clay −0.902 b0.001
C/N 0.789 0.001
K saturation −0.942 0.085

27. Assessment of biotic threats
Root and stem rot fungi
Mistletoe, shoot
beetles
Ungulate browsing

28. Assessment of biotic threats
Tree stability following Heterobasidion annosum
Throwing
moment(kgm)
dbh< 21 cm dbh> 21 cm
p < 0.05
4000
3000
2000
1000
0
Healthy
Infected
Gonthier and Giordano, unpublished

29. Climate change and PF
Simulation models for
regions or catchments,
many feedbacks
(species ranges, hazards,
disturbances).
How to translate this
into recommendations at
the local scale?
Elkin et al. 2013
ceptedArticle

30. Conclusion
A successful flow of information from research to
practitioners and administrators
Mapping
PF Profile
assessment
Management
experiments
Law
Expertise and
exchange
Cost-benefit
communication

31. Knowledge gaps
§ Resilience of PF, tipping points
§ Quantitative indices for PF function
§ Riparian PF, debris flows and shallow landslides
(Schwartz et al. 2012, 2013; Stokes et al., 2014)
§ Decision support for practitioners
(@FP1304Profound)

32. Park City, UT
Hazard
Forest
Target