Loading...
HomeMy WebLinkAboutPhase II Stand Inventory UAF Yakutat final report_draft 9.22.13     National  Forest  Foundation   Community  Capacity  and  Land  Stewardship  Program   Yakutat  Foreland  Sustainable  Rotation  Analysis  and  Forest  Planning   City  and  Borough  of  Yakutat,  and  UAF  Alaska  Center  for  Energy  and  Power   September  22,  2013   **  note:  this  draft  is  considered  final  by  both  PI,  however  the  final  draft  is  pending  review  by   ACEP  director  and  Department  of  Natural  Resources  State  Forester   Amanda  Byrd,  Biomass  Coordinator,  ACEP   Bill  Lucey,  Planning  Director,  City  and  Borough  of  Yakutat     The  City  and  Borough  of  Yakutat  and  the  Yak-­‐Tat  Kwaan  Village  Corporation  have  been  exploring   various  biomass  energy  options  for  over  three  years.  Investigations  included  a  trial  crop  plantation  of   various  willow,  alder,  and  poplar  varieties.  Growth  rates  were  slow  to  start,  but  the  results  of  this   plantation  are  yet  to  be  quantified.  A  more  immediate  alternative  may  be  using  small  diameter  wood   harvested  as  part  of  pre-­‐commercial  thinning.  Volume  and  growth  metrics  are  needed  to  determine   the  amount  of  wood  that  could  be  sustainably  harvested  in  both  commercial  and  pre-­‐commercial   thinning.  A  grant  was  awarded  to  the  City  and  Borough  of  Yakutat  from  the  USDA  National  Forest   Foundation  to  conduct  a  forest  inventory  on  the  natural  regrowth  in  areas  that  had  previously  been   clear-­‐cut  for  commercial  sale.  The  area  measures  around  25,000  acres,  or  10,120  hectares.    Crews   conducted  a  stand  inventory  using  twenty  five  transects  measuring  200  m  long  and  geospatially   distributed  across  age  class.  The  stand  inventory  should  inform  managers  to  estimate  standing  biomass   in  each  age  class,  and  offer  a  potential  harvest  rate  for  thinning,  and  natural  regrowth  rate.     Introduction   The  community  of  Yakutat,  located  on  the  northern  coast  of  the  Gulf  of  Alaska,  has  expressed  interest   in  biomass  energy  as  an  alternative  to  diesel  fuel.  Before  a  biomass  heating  system  can  be  installed,   the  biomass  resources  need  to  be  quantified.     Yakutat  has  many  sources  of  biomass  including  recovered  tree  stumps,  cordwood  washed  onto  Cannon   Beach,  and  abundant  standing  Sitka  spruce  (Picea  sitchensis  (Bong.)  Carr)  and  western  hemlock  forests   (Tsuga  heterophylla  (Raf.)).  From  1952  through  1990,  Sitka  spruce  and  Western  Hemlock  in  the  area  of   Yakutat  was  harvested  through  standard  clear-­‐cut  methods  for  commercial  sale.  Other  trees  naturally       occurring  this  area  include  the  pioneer  species  Sitka  alder  (Alnus  sitchensis)  and  willow  varieties  (Salix   sp.)  (Shephard,  1995).     Casual  observation  through  remote  sensing  indicated  that  the  growth  rates  in  the  harvest  area  varies   by  age  and  location.  The  regrowth  of  the  forest  since  the  clear-­‐cut  harvest  had  not  been  fully   investigated,  and  while  pre-­‐commercial  thinning  has  been  identified  as  a  biomass  resource,  the   availability  and  sustainability  of  this  resource  had  not  been  measured.     This  report  provides  information  on  the  availability  of  forest  thinnings  as  a  biomass  resource  based  on   transect  data  collected  in  July  and  August  of  2013.     Methods   Twenty  five  200  m  long  transects  were  selected  from  62  randomly  placed  transects  on  a  map  of   Yakutat  with  forest  harvest  date  overlays  produced  by  the  ArcMap  program.  The  survey  transects  were   randomly  placed  using  rules  for  road  access,  but  not  across  a  road  or  stream  channel.  The  survey   transects  were  selected  by  diversity  of  landscape,  diversity  of  age  class,  and  replicability.  Two   additional  transects  (63  and  64)  were  added  to  increase  robustness  in  a  large  1971  harvest  area.     In  an  attempt  to  survey  as  much  land  as  possible,  and  gather  useable  data,  a  transect  and  area  plot   survey  method  was  employed  whereby  along  a  200  m  long  transect,  3-­‐20  m  diameter  area  surveys   were  conducted.  Transects  were  traversed  with  the  use  of  a  Trimble  Nomad  GPS,  compass,  and  hip-­‐ chain  for  accurate  measurements.  The  center  of  each  survey  area  was  photographed,  each  tree  was   measured  at  diameter  at  breast  height  (DBH),  and  the  species  recorded.  As  a  means  to  cover  more   ground,  this  was  reduced  to  two  quarters.  Up  to  5  trees  were  selected  based  on  size  ranges  for  age   determination  by  bore-­‐coring.  Tree  rings  were  counted  in  the  field  for  speed  of  data  collection,  and  for   ease  of  handling  data  collected.  Photographs  were  taken  of  cores.  The  area  sampled  is  expressed  in  a   per  hectare  unit.               Figure  1.  Transect  and  area  plot  survey  method  for  inventory  survey.  Survey  areas  (blue  circles)  are  20   m  diameter,  and  the  areas  were  65m  apart  on  the  transect  line.         65  m 130   m 195   m Start   Transec t 0  m     Transects  were  started  at  least  50  m  from  roadways  to  avoid  edge  effects,  and  direction  of  the  survey   transect  was  altered  if  it  was  likely  to  extend  into  an  areas  along  a  roadside  which  tends  to  have  a   higher  rate  of  growth.   Results  and  discussion   The  basal  area  of  trees/ha  re-­‐established  in  the  1952/57  clear  cut  areas  averaged  43.7  m2/ha  with  an   average  tree  size  of  0.002m2  (Table  1).  These  trees  have  regenerated  well  and  were  larger  than  the   areas  with  later  harvests  (0.009  m2  and  0.006  m2).  In  fact,  the  three  age  groups  were  significantly   different  in  basal  area/ha  (Table  2).  In  the  1952/57  areas,  the  understory  of  smaller  trees  was  naturally   thinning,  and  the  number  of  stems  per  hectare  ranged  between  551-­‐1717,  whereas  in  the  19771/79   and  1983/89  areas  this  averaged  3565  and  2842  respectively.  Interestingly,  transect  16,  with  657   stems/ha  had  been  recently  thinned  (in  2011),  and  transect  5  with  551  stems/ha  was  naturally  thinning   through  light  shading  out  the  smaller  stems.         Table  1:  Average  survey  area  measurements  for  all  transects  per  cut  age   Year   Harvested   Mean  Basal   Area  /  Ha  (m2)   Mean  Basal   Area  /  Tree  (m2)   Mean  stems   /  ha   Mean   Age            1952/57  43.7  0.0024  975  37   1971/79  26.8  0.0009  3565  28   1983/89  6.4  0.0006  2842  18     Table  2:  One-­‐way  ANOVA  results  for  transect  measurements   Measurement  DF  F    P-­‐Value   Basal  area  per  ha  2,  22  20.56892  0.0000092*   Basal  area  per  tree  2,  22  39.25222  0.000000055*   Stems  per  ha  2,  22  2.060538  0.151268194     The  smaller  basal  area  in  the  1983/89  areas  was  due  in  part  to  the  smaller  basal  size  per  tree  (0.0006   m2)  and  the  smaller  number  of  stems/ha  (2843  stems/ha).  The  close  spacing  of  trees  in  both  the  71/79   and  1983/89  cut  areas  makes  growing  slow  for  all  of  the  trees.    In  some  cases,  a  tree  may  have  had  a  1   year  head  start  over  the  surrounding  trees  and  be  substantially  bigger.    This  was  indicated  through  the   bore  coring  samples.    Within  each  of  these  age  groups,  individual  tree  sizes  differed  significantly.   Typically,  a  10cm  diameter  tree  would  be  surrounded  by  several  2cm  trees,  though  the  ages  may  differ   by  just  one  year.  On  several  occasions  a  very  large  tree  would  stand  out,  and  upon  coring  a  detailed   story  emerged  like  the  116  year  old  tree  that  had  existed  before  the  clear-­‐cut  as  a  very  small  tree.  As       the  other  trees  were  removed  the  tree  grew  over  the  next  25-­‐30  years  into  a  55cm  giant.  This   occurrence  was  evident  in  many  1971/79  harvest  areas,  though  116  years  old  was  an  anomaly.         Figure  2.  Tree  cores  taken  at  survey  area  2.1  on  Transect  2  shows  two  25  year  old  Sitka  spruce  trees  and   a  15  year  old  spruce  with  very  different  diameters.  Different  spacing  of  the  trees  produces  very  different   tree  sizes.   The  trees  in  the  1952/57  harvest  areas  had  an  average  age  of  37  years  with  ages  ranging  from  27   through  48  years  old.    With  respect  to  the  ages  of  the  trees  cored,  it  has  taken  between  4  and  9  years   for  trees  to  re-­‐establish  after  the  harvest.    Natural  regeneration  was  noted  on  Vancouver  Island  in   Canada  to  occur  4  years  after  clear-­‐cutting,  and  the  best  medium  for  seedling  germination  is  mineral   soil,  followed  by  a  mixture  of  course  woody  debris,  soil  and  humus  (Peterson,  et  al.,  2007).  Peterson  et   al.  (2007)  also  noted  that  natural  regeneration  averaged  1976  seedlings  per  ha  of  Sitka  spruce,  and  log   surfaces  that  retain  litter  were  the  best  mediums  for  seed  germination.  The  survey  transects  often   traversed  areas  with  high  log  debris.  In  some  areas,  this  debris  can  be  substantial  including  rotting   remains  of  4ft  to  6ft  diameter  logs,  large  stumps,  many  with  trees  growing  from  or  near  them.     Average  biomass  per  hectare  was  estimated  (Table  3)  using  equation:   BM  =  Exp(β0+  β1  ln  DBH)        (Jenkins  et  al.,  2003)   where  the  parameters  β0  =  -­‐20773  and  β0  =  2.3323.   This  equation  may  overestimate  smaller  diameter  biomass  as  it  is  designed  for  trees  2.5  cm  DBH  or   larger,  and  this  study  found  many  trees  below  2.5  cm  DBH.  There  are  no  other  reliable  equations   available  for  small  diameter  Sitka  spruce  in  Alaska,  though  one  could  be  produced  for  this  area  by   creating  an  allometric  equation  similar  to  a  study  on  small  diameter  Balsam  poplar  in  Southcentral   Alaska  (Byrd  2013).               Table  3:  Average  biomass  (kg)  per  hectare,  average  thinning  (kg/ha),  and  average  harvest  through   thinning  (tonne).     Date   Harvested   Mean   Biomass/ha  (kg)   Mean   stems/ha   25%  thinning   (t/ha)  /  (green)   50%  thinning   (t/ha)  /  (green)   25%  /  50%  thinning   (ton/ac)   1952/57  243,370  975  0  /  0  0/0  0/0   1971/79  138,822  3565  35  /  70  69  /  138  16  /  31   1983/89  33,196  2842  8  /  16  17  /  34  4  /  8     Trees  spacing  per  ha  has  naturally  or  manually  been  managed  to  be  between  550  and  1770  stems  per   ha  in  the  1952/57  harvest  areas.  In  the  1971/79  and  1983/85  clear-­‐cuts,  the  forest  is  overstocked  in   many  areas  with  densities  up  to  8400  stems  per  hectare  (Table  4).  The  dense  stocking  slows  the  growth   down  of  individual  trees,  though  natural  competition  occurs  and  there  are  generally  dominant  trees.   These  areas  could  benefit  from  pre-­‐commercial  thinning  –  the  practice  of  thinning  a  forest  of  small   diameter  trees  and  allow  for  selected  trees  to  be  able  to  grow  larger,  faster  without  the  competition.   Pre-­‐commercial  thinning  should  be  undertaken  thoughtfully,  as  there  is  potential  for  wind  damage,  or   blowdown  to  occur  on  smaller,  unprotected  trees,  and  even  larger  sized  trees  without  adequate   protection  (Shultz  and  Heutte,  2005).  A  spacing  of  between  800  and  1400  trees/ha  was  suggested  by   Peterson,  et  al.,  (2007),  and  spacing  should  occur  before  age  20  to  maintain  optimal  crown  cover,   though  up  to  age  40  was  also  still  deemed  safe.  A  thinning  regime  to  bring  the  overstocked  forests   >2000  trees/ha  down  to  800  –  1400  would  require  leaving  between  7  m  (23ft)  and  12.5m  (41  ft)   between  trees  (Peterson  et  al.,  2007).   Assuming  a  final  density  of  1000  trees  per  hectare,  an  estimate  was  made  (Table  3)  on  the  amount  of   biomass  per  hectare  that  could  be  removed  through  pre-­‐commercial  thinning.  The  1952/57  harvest   areas  already  have  a  low  density  of  trees,  and  thus  have  been  removed  from  thinning  calculations  in   the  report  though  select  harvest  is  planned  for  2014  to  determine  biomass  potential  from  these   stands.  The  1971/79  areas  have  shown  the  highest  average  density  of  trees  per  hectare,  and  an   average  of  138,822  kg/ha,  and  could  produce  an  average  35-­‐69  tonnes  of  dry  biomass  per  hectare   through  25%  and  50%  thinning,  for  a  total  harvest  of  between  approximately  53,000  –  105,000  dry   tonnes.1  The  1983/89  areas  have  an  average  density  of  2842  trees  per  hectare;  with  an  average   standing  biomass  estimate  of  33,196  kg/ha.  Through  pre-­‐commercial  thinning,  these  areas  could   produce  an  average  of  8  –  17  tonnes/ha  of  biomass  at  25%  and  50%  thinning,  for  a  total  harvest  of  up   to  61,000  –  129,000  tonnes  of  dry  biomass.2                                                                                                                               1  These  calculations  assume  that  the  1971/79  harvest  areas  account  for  15%  or  1,518  hectares  of  the  total  clear  cut  area   2  These  calculations  assume  that  the  1981/89  harvest  areas  account  for  75%  or  7,588  hectares  of  the  total  clear  cut  area       However,  it  is  imperative  to  acknowledge  that  these  numbers  have  been  developed  from  a  total  of  25   transects,  covering  1.77  hectares  in  a  total  of  10,117  hectares  that  can  be  very  variable  in  its  forest   stands  due  to  soil,  landscape  differences,  and  proximity  to  streams  and  other  water  beds.    For  more   precise  numbers,  more  data  would  need  to  be  collected.     Some  specific  areas  would  not  be  well  served  by  thinning  due  to  sparse  regrowth  (Table  4).  These  areas   already  have  a  low  stand  density.  Transect  19  was  recently  thinned  and  all  of  the  cut  material  remains   in  the  area.  Table  4  shows  a  compilation  of  data  from  the  survey  transects.    This  can  be  used  a  guide   for  those  particular  areas,  but  not  for  the  entire  forest  in  that  unit.     The  biggest  hurdle  that  must  be  overcome  in  a  pre-­‐commercial  thinning  project  is  determining  the  cost   per  tonne  of  biomass  harvested  through  thinning,  and  the  cost  of  transportation  to  the  boiler,  and   determining  the  feasibility  of  all  areas.    A  harvest  time  and  motion  study  would  produce  an  economic   analysis  of  the  harvest  and  delivery  costs.     Assuming  it  is  economic  to  access  and  harvest  all  areas  viable  for  pre-­‐commercial  thinning,  a  harvest   rate  of  up  to  2000  tonnes  per  year  would  be  sustainable  for  43  years.  This  number  is  based  on  the  25%   and  50%  total  average  thinning  of  overstocked  forest  inventories  from  the  both  the  1971/79  and   1983/89  harvest  areas.  Again,  these  numbers  are  averages  based  on  a  small  survey  size.  More   extensive  survey  information  is  required  to  verify  these  numbers.       Conclusion   A  large  scale  biomass  heating  project  in  Yakutat  could  conservatively  use  1000  tonnes  of  woody   biomass  per  year.  Ensuring  a  sustainable  biomass  resource  supply  will  be  imperative  for  the  success  of   a  biomass  heating  system.  A  pre-­‐commercial  thinning  project  would  provide  benefit  to  both  the  forest   itself  in  allowing  faster  regeneration  of  larger,  commercial  size,  high-­‐value  saw  logs,  and  to  the   community  of  Yakutat  for  a  biomass  heating  system.  Understanding  the  economics  of  harvesting  the   wood  through  a  thinning  regime  will  determine  whether  the  project  is  economically  viable  using  this   wood  resource.   Recommendations   • Conduct  a  time  and  motion  harvest  study  to  assess  to  the  economics  of  harvesting  wood   through  thinning   • Collect  wood  from  Transect  area  19  as  the  start  of  a  biomass  stockpile   • Look  towards  a  chip-­‐fired  system  to  use  the  harvested  wood   • Look  for  chipping  equipment  and  storage  facilities  for  the  size  and  type  of  chip  required   • Focus  on  1971/79  harvest  areas  before  the  1983/89  areas  as  these  stands  are  older,  and  better   developed  to  withstand  effects  of  high  winds,  and  will  produce  more  biomass  per  hectare                 Table  4.  Average  survey  information  for  each  transect  conducted.   Transect     Number   Year   harvested   Basal   Area  per   ha  (m2)   Basal  Area   per  Tree   (m2)   Stems   per  Ha   Biomass   Kg/Ha   Mean   age   Thinning   25%   (ton/ha)   Thinning   50%   (ton/ha)                     18  1952/57  69.5  0.0019  1717  346,544  37  -­‐     6  1952/57  39.9  0.0030  657  281,106  37  -­‐     5  1952/57  21.8  0.0021  551  102,460  37  -­‐     17  1979  47.3  0.0009  3565  210,000  30  52,500  105,000   57  1971  37.6  0.0007  5024  154,892  26  38,723  77,446   63  1971  36.6  0.0010  3222  151,175  34  37,794  75,587   64  71  35.7  0.0011  2629  148,091  32  37,023  74,045   2  72  (83?)  34.9  0.0008  3650  145,219  21  35,305  72,609   9  1940  (71)  34.7  0.0008  4982  132,702  28  33,172  66,351   43  1971  27.5  0.0008  6742  228,737  28  57,184  114,368   52  1971  27.5  0.0010  2226  121,660  21  30,415  60,830   11  1979  25.9  0.0012  982  136,482  32  -­‐  -­‐   44  1971  21.7  0.0007  3650  86,266  26  21,566  43,133   10  1979  20.1  0.0016  716  93,744  29  -­‐  -­‐   4  1972  17.5  0.0006  5300  142,618  33  35,655  71,309   49  1972   (83?)  15.6  0.0006  3650  53,099  21  13,275  26,549   50  1985  13.0  0.0005  4897  43,225  17  10,806  21,612   30  1985  9.1  0.0005  4176  57,772  16  14,443  28,886   7  1985  8.8  0.0004  8459  55,212  16  13,803  27,606   19  1982  7.9  0.0011  583  33,677  26  -­‐  -­‐   26  1985  7.5  0.0005  2162  26,186  18  6,546  13,093   40  1985  3.8  0.0007  1039  31,489  25  -­‐  -­‐   3  1985  2.6  0.0004  2184  17,113  13  4,278  8,557   51  1985  2.1  0.0006  1039  14,391  17  -­‐  -­‐   1  1985  2.6  0.0006  1039  19,701  16  -­‐  -­‐             References   Byrd  A.G.,  (2013)  Evaluating  short  rotation  poplar  biomass  on  an  experimental  landfill  cap  near   Anchorage,  Alaska.  University  of  Alaska  Fairbanks.   Jenkins  J.C.,  Chojnacky  D.C.,  Heath  L.S.,  Birdsey  R.A.,  (2005)  National-­‐scale  biomass  estimators  for   United  States  tree  species.  Forest  Science  49(1)  pp:  12-­‐34.   Peterson  E.B.,  Peterson  N.M.,  Weetman  G.F.,  Martin  P.J.  (1997)  Ecology  and  Management  of  Sitka   Spruce:  Emphasizing  Its  Natural  Range  in  British  Columbia.  University  of  British  Columbia  Press.    Shephard  M.E.  (1995)  Plant  community  ecology  and  classification  of  the  Yakutat  Foreland,  Alaska.   Tongass  National  Forest,  United  States  Department  of  Agriculture.   http://www.fs.usda.gov/Internet/FSE_DOCUMENTS/fsbdev2_037803.pdf   Shultz  M,  and  Heutte  T  (2005)  Yakutat  Forelands  forest  health  assessment.  United  States  Department   of  Agriculture.  http://www.fs.usda.gov/Internet/FSE_DOCUMENTS/stelprdb5277839.pdf