The structure of Norway spruce (Picea abies [L.] Karst.) stems in relation to wood properties of sawn timber

An important challenge in forest industry is to get the appropriate raw material out from the forests to the wood processing industry. Growth and stem reconstruction simulators are therefore increasingly integrated in industrial conversion simulators, for linking the properties of wooden products to the three-dimensional structure of stems and their growing conditions. Static simulators predict the wood properties from stem dimensions at the end of a growth simulation period, whereas in dynamic approaches, the structural components, e.g. branches, are incremented along with the growth processes. The dynamic approach can be applied to stem reconstruction by predicting the three-dimensional stem structure from external tree variables (i.e. age, height) as a result of growth to the current state. In this study, a dynamic growth simulator, PipeQual, and a stem reconstruction simulator, RetroSTEM, are adapted to Norway spruce (Picea abies [L.] Karst.) to predict the three-dimensional structure of stems (tapers, branchiness, wood basic density) over time such that both simulators can be integrated in a sawing simulator. The parameterisation of the PipeQual and RetroSTEM simulators for Norway spruce relied on the theoretically based description of tree structure developing in the growth process and following certain conservative structural regularities while allowing for plasticity in the crown development. The crown expressed both regularity and plasticity in its development, as the vertical foliage density peaked regularly at about 5 m from the stem apex, varying below that with tree age and dominance position (Study I). Conservative stem structure was characterized in terms of (1) the pipe ratios between foliage mass and branch and stem cross-sectional areas at crown base, (2) the allometric relationship between foliage mass and crown length, (3) mean branch length relative to crown length and (4) form coefficients in branches and stem (Study II). The pipe ratio between branch and stem cross-sectional area at crown base, and mean branch length relative to the crown length may differ in trees before and after canopy closure, but the variation should be further analysed in stands of different ages and densities with varying site fertilities and climates. The predictions of the PipeQual and RetroSTEM simulators were evaluated by comparing the simulated values to measured ones (Study III, IV). Both simulators predicted stem taper and branch diameter at the individual tree level with a small bias. RetroSTEM predictions of wood density were accurate. For focusing on even more accurate predictions of stem diameters and branchiness along the stem, both simulators should be further improved by revising the following aspects in the simulators: the relationship between foliage and stem sapwood area in the upper stem, the error source in branch sizes, the crown base development and the height growth models in RetroSTEM. In Study V, the RetroSTEM simulator was integrated in the InnoSIM sawing simulator, and according to the pilot simulations, this turned out to be an efficient tool for readily producing stand scale information about stem sizes and structure when approximating the available assortments of wood products.Suomalaisen metsäsektorin toimivuuden ja kilpailukyvyn kannalta ensisijaisen tärkeää on saada oikeanlaista puuraaka-ainetta metsistä jatkojalostukseen. Tätä silmälläpitäen erilaisia metsän kasvua ja puiden rakennetta sekä puuraaka-aineen laatua ennustavia simulaattoreita on lisääntyvässä määrin kehitetty. Kun edellä mainittuja simulaattoreita yhdistetään puuraaka-aineen jalostusprosessia mallintaviin simulaattoreihin (esim. sahaussimulaattorit), voidaan kehittää koko jalostusketjua kuvaavia ohjelmistoja. Tässä tutkimuksessa on muunnettu männyn kolmiulotteista rakennetta ennustavat simulaattorit PipeQual ja RetroSTEM kuvaamaan kuusen runkorakennetta (runkokäyrät, oksaisuus ja puuaineen tiheys). PipeQual ennustaa metsikön kasvua ja yksittäisten runkojen kolmiulotteisen rakenteen kehitystä dynaamisesti taimesta alkaen, aina metsikön kiertoajan loppuun. RetroSTEM rekonstruoi yksittäisille puille rungon kolmiulotteisen rakenteen, puun iän ja koon (pituus, rinnankorkeusläpimitta, latvus-suhde) perusteella, aloittaen rakenteen muodostamisen taimesta ja päätyen puun olemassa oleviin mittoihin. Molemmat simulaattorit voidaan liittää sahaussimulaattoriin. PipeQual ja RetroSTEM simulaattorit perustuvat molemmat teoreettiseen kuvaukseen puun rakenteesta. Tutkimuksessa selvitettiin, missä määrin latvan rakenteen tai rungon, oksien ja latvan välisten rakennesuhteiden kehitys noudattaa tiettyjä säännönmukaisuuksia iältään ja kasvutilaltaan erilaisissa metsiköissä. Säännönmukaisesti käyttäytyviä tai vakioiksi havaittuja suhteita puun eri rakenteiden välillä voidaan hyödyntää simulaattorissa, kun kasvun jakautumista puun eri rakenteiden välillä ohjataan kiertoajan eri vaiheissa, tiheydeltään erilaisissa metsiköissä. Esimerkiksi puun neulasmassan suhde rungon pohjapinta-alaan latvusrajalla havaittiin olevan vakio iältään erilaisissa metsiköissä, ja puun neulastiheyden todettiin saavuttavan maksimitiheyden noin viidessä metrissä latvan kärjestä alas, riippumatta puun iästä tai sen asemasta latvuskerroksessa. Viiden metrin alapuolella latvan pituus ja leveys sekä samalla neulastiheys vaihtelevat puun iän ja kasvutilan mukaan. Tutkimuksessa testattiin PipeQual ja RetroSTEM simulaattoreiden ennustuskykyä vertailemalla simuloituja tunnuksia mitattuihin vastaaviin tunnuksiin. Molemmat simulaattorit ennustivat yksittäisten puiden runkokäyrän ja oksien läpimitan sekä tiheyden testiaineiston perusteella melko harhattomasti. Runkoläpimitta- ja oksaisuusennusteet rungon eri korkeuksilla osoittivat kuitenkin lievää yli- tai aliarviota ja vaativat näin ollen lisätestausta ja jatkotoimenpiteitä simulaattoreiden kehittämisessä. RetroSTEM simulaattori liitettiin edelleen InnoSIM sahaussimulaattoriin ja tämän pilottitutkimuksen perusteella voidaan todeta, että kyseisellä yhdistelmällä on mahdollista ennustaa nopeasti ja tehokkaasti kuusisahatavaran laatujakaumaa eritavoin käsitellyissä metsiköissä