A climate change adaptive dynamic programming approach to optimize eucalypt stand management scheduling: a Portuguese application

The aim of this paper is to present approaches to optimize stand-level, short-rotation coppice management planning, taking into account uncertainty in stand growth due to climate change. The focus is on addressing growth uncertainty through a range of climate scenarios so that an adaptive capacity may be possible and the vulnerability of the stand to climate change may be reduced. The optimization encompasses finding both the harvest age in each cycle and the number of coppice cycles within a full rotation that maximize net present revenue. The innovation lies in the combination of the process-based model (Glob3PG) with two dynamic programming (DP) approaches. The former is able to project growth of eucalypt stands under climate change scenarios. The innovative approaches are thus influential to define the management policy (e.g., stool thinning, number of coppice cycles, and cycle length) that maximizes net present revenue taking into account uncertainty in forest growth due to climate change. In both approaches, the state of the system is defined by the number of years since plantation, whereas DP stages are defined by the cumulative number of harvests. The first approach proposes the optimal policy under each climate change scenario at each state. The second approach addresses further situations when the climate scenario is unknown at the beginning of the planning horizon. Both help address uncertainty in an adaptive framework, as a set of readily available options is proposed for each scenario. Results of an application to a typical Eucalyptus globulus Labill. stand in central Portugal are discussed.

Le but de cet article est de présenter des approches pour optimiser la planification de l’aménagement de taillis en révolution courte à l’échelle du peuplement en tenant compte de l’incertitude entourant la croissance du peuplement à cause des changements climatiques. L’accent est mis sur l’incertitude de la croissance par le biais d’une gamme de scénarios climatiques de façon à rendre possible une capacité adaptative, ce qui peut réduire la vulnérabilité du peuplement aux changements climatiques. L’optimisation comprend la recherche de l’âge de récolte à chaque rotation et le nombre de rotation de taillis à l’intérieur d’une révolution complète qui maximise les revenus actualisés nets. L’innovation réside dans la combinaison du modèle fondé sur les processus (Glob3PG) et de deux approches de programmation dynamique (PD). Le modèle est en mesure de projeter la croissance de peuplements d’eucalyptus selon des scénarios de changements climatiques. Les approches novatrices permettent donc d’influencer la définition de la politique d’aménagement (p. ex. : l’éclaircie des rejets, le nombre de rotation de taillis et la durée de la rotation) qui maximise les revenus actualisés nets en tenant compte de l’incertitude de la croissance forestière à cause des changements climatiques. Dans les deux approches, l’état du système est défini par le nombre d’années depuis la plantation alors que les stades de PD sont définis par le nombre cumulatif de récoltes. La première approche propose la politique optimale pour chaque scénario de changements climatiques à chaque état. La deuxième approche traite de situations non couvertes, lorsque le scénario climatique est inconnu au début de l’horizon de planification. Les deux approches aident à tenir compte de l’incertitude dans un cadre adaptatif puisqu’un ensemble d’options facilement disponibles est proposé pour chaque scénario. Nous discutons des résultats d’une application dans un peuplement typique d’Eucalyptus globulus Labill du centre du Portugal.

This study was partially supported by the projects UID/MAT/04561/2013, funded by the Portuguese Foundation for Science and Technology (FCT, Fundação para a Ciência e a Tecnologia). Furthermore, this research has received funding from the European Union’s Seventh Programme for research, technological development and demonstration under grant agreements (i) Nr 282887 INTEGRAL“Future-Oriented Integrated Management of European Forest Landscape” and (ii) Nr PIRSES-GA-2010-269257 (ForEAdapt, FP7-PEOPLE-2010-IRSES). It was also partially supported by Project PTDC/AGR-FOR/4526/2012 Models and Decision Support Systems for Adressing Risk and Uncertainty in Forest Planning (SADRI). Jordi Garcia-Gonzalo was supported by a “Ramón y Cajal” research contract from th MINECO (Ref. RYC-2013-14262).