Metsien ja peltojen hiilensidonnan kytkeminen ekosysteemipalveluarvioihin

The carbon (C) cycle of forests and croplands contributes to human wellbeing by regulating climate, producing food, timber and energy, and providing habitats for species. In the future, climate change and the increasing use of natural resources may threaten the availability of these ecosystem services (ES). Sustainable environmental management requires spatially explicit information on the impacts of human activity on ES. Mapping C stocks and changes using overly simplified, land cover -based proxies might cause inaccuracy to the ES estimates. This dissertation introduces different approaches to quantify the C budget of terrestrial ecosystems in boreal and temperate regions. The overall objectives were to couple the estimates of C sequestration with ES assessments and to investigate the spatial variation of climate regulation in relation to other ES indicators. The specific objectives were 1) to examine the drivers of C sequestration of forests and croplands using process-based models, 2) to develop a framework for mapping the current status of forest C budget across boreal landscapes and 3) to identify and map synergies and trade-offs between regulating and provisioning ES in response to alternative forest management practices and climate change. Reasons for the observed decline in the C concentration of Finnish croplands on mineral soils in 1974-2009 were investigated in paper I. The soil C model applied was able to estimate the changes in the C stock of soil reliably based on information about the climatic conditions and the chemical composition of litter. The soil C stock of Finnish croplands declined in 1974-2009 because they produced less litter than the pre-cropland forests and this agricultural litter decomposed more rapidly. According to the sensitivity analysis, climate warming has not been a significant reason for the observed C loss yet. The effects of different climate change and forest management scenarios on the growth and C budget of forests were examined across a long latitudinal gradient in Europe in paper II. The simulated productivity of forests increased substantially in 2005-2095 throughout the studied gradient. Whole-tree harvesting caused a loss of soil C independent of the model used, demonstrating this pattern to be robust. Biomass growth was unexpectedly enhanced as a result of harvest residue extraction, revealing that the post-harvest microbial controls of stand productivity require further research. The results indicated that in the short-term, forest management affected the C budget more than climate change. An approach to quantify the C budget of boreal forested landscapes was developed in paper III by combining simulation modelling with extensive information on stand characteristics. The mapping framework produced reliable estimates of the current status of C budget in the study region in southern Finland. It was developed further in paper IV to map projections of climate regulation, biomass production and dead wood production in response to alternative forest management practices. Regular harvesting, affecting the stand age class distribution, was a key driver of the C stock changes in the studied catchment during the simulation period 2012-2100. Extracting branches and stumps enhanced energy-wood production but caused trade-offs for climate regulation, dead wood production and, consequently, forest biodiversity. The mapping framework developed in this dissertation allows for visualizing ES related to C cycling as high-resolution maps to support sustainable land use planning. It contributes to bridging the gap between ecosystem service assessments and simulation modelling. In addition, the simple structure of the approach is an advantage in comparison with some detailed simulation models. The modular structure of the mapping framework enables its flexible development with new data and models in the future.Metsät ja pellot vaikuttavat ihmisten hyvinvointiin monin tavoin; ne sitovat ilmakehästä hiiltä, tarjoavat elinympäristöjä lajeille sekä tuottavat ruokaa, puutavaraa ja uusiutuvia energianlähteitä. Näiden ekosysteemipalveluiden kartoittamiseksi tarvitaan yksinkertaisia menetelmiä. Ekosysteemipalveluiden kartoittamisessa on usein jätetty huomiotta hiilivarastojen ja -virtojen muutokset ajan suhteen, mikä voi aiheuttaa suuriakin virheitä arviointiin. Tämän väitöskirjan keskeisinä tavoitteina oli kytkeä hiilensidonta ekosysteemipalveluarvioihin ja arvioida hiilensidonnan alueellista vaihtelua ja sen säätelymahdollisuuksia suhteessa muihin ekosysteemipalveluihin. Tässä väitöskirjassa kehitettiin erilaisia lähestymistapoja hiilitaseen arvioimiseen boreaalisen ja lauhkean vyöhykkeen alueilla. Suomen kivennäismaan peltojen hiilipitoisuus pieneni viime vuosikymmenien aikana, koska pellot tuottivat vähemmän kariketta kuin niitä edeltäneet metsät ja tämä karike oli koostumukseltaan nopeammin hajoavaa. Herkkyysanalyysin perusteella ilmaston lämpeneminen ei ole toistaiseksi ollut merkittävä syy peltojen hiilikatoon. Simulointitulosten perusteella ilmastonmuutos kiihdyttää metsien kasvua ja hiilensidontaa laajalla alueella Euroopassa. Hakkuutähteiden korjuu metsäbioenergian tuottamiseksi pienensi maaperän hiilivarastoa. Metsien käsittely vaikutti hiilitaseeseen enemmän kuin ilmastonmuutos lyhyellä aikavälillä. Boreaalisten metsien hiilitaseen kartoittamiseksi kehitettiin uusi menetelmä yhdistämällä simulaatiomallinnusta metsiköiden rakennepiirteitä koskevaan paikkatietoon. Kartoitusmenetelmä tuotti luotettavia arvioita hiilitaseen nykytilasta Suomessa. Lähestymistapaa sovellettiin selvittämään bioenergian tuotannon vaikutuksia eri ekosysteemipalveluihin maisematasolla. Säännöllisistä hakkuista johtuvat metsien ikärakenteen muutokset olivat tärkein metsien hiilivaraston muutoksiin vaikuttava tekijä tulevaisuudessa. Hakkuutähteiden ja kantojen korjuu aiheutti ristiriitoja hiilensidonnan, energiapuun tuotannon ja lahopuun tuotannon välillä. Väitöskirjassa kehitettyä kartoitusmenetelmää voidaan soveltaa havainnollistamaan hiilen sidonnan alueellista, pienipiirteistä vaihtelua suhteessa muihin ekosysteemipalveluihin, mikä tukee ekologisesti kestävää maankäytön suunnittelua. Kartoitusmenetelmän modulaarinen rakenne mahdollistaa sen joustavan kehittämisen uusilla malleilla ja aineistoilla tulevaisuudessa

Modelling the impacts of intensifying forest management on carbon budget across a long latitudinal gradient in Europe

nonPeerReviewe

Effects of reindeer grazing and forestry on ground lichens in Finnish Lapland.

201

Poron laidunnuksen ja metsätalouden vaikutukset maajäkäliin

TutkimusselosteSeloste artikkelista: Akujärvi, A., Hallikainen, V., Hyppönen, M., Mattila, E., Mikkola, K. & Rautio, P. 2014. Effects of reindeer grazing and forestry on ground lichens in Finnish Lapland. Silva Fennica 48(3), article id 1153

Testing the application of process-based forest growth model PREBAS to uneven-aged forests in Finland

The challenges of applying process-based models to uneven-aged forests are the difficulties in simulating the interactions between trees and resource allocation between size classes. In this study, we focused on a process-based forest growth model PREBAS which is a mean tree model with Reineke self-thinning mortality and was originally developed for even-aged forests. The primary aim was to test the application of PREBAS model to uneven-aged forests by introducing different diameter at breast height (DBH) size classes to better represent the forest structure. Additionally, we introduced a new mortality model MORnew to PREBAS which is developed for uneven-aged stands and compared with the current PREBAS version in which a modification Reineke rule is used. The tests were conducted in 26 old Norway spruce dominated stands in southern and central Finland with three consecutive measurements (on average a 25-year study period). To evaluate the model performance, we compared the estimations of stand averaged diameter at breast height (D), stand averaged tree height (H), stand averaged crown base height (Hc), stand basal area (B) and density (N) with measurements. Moreover, biomass estimations of each tree component (foliage, branch and stem) were compared to estimations from empirical models. Results showed that introducing size distributions can represent better stand structure and improve the model predictions compared with data. Moreover, the new mortality model MORnew showed promise with qualitatively more realistic results especially among the largest tree size classes. However, model bias still existed in the simulation although the predictions were improved. It revealed that further calibration of the PREBAS model with size classes should be done to better extend the model applicability to uneven-aged forests

Agrisymbiooseilla kohti kestävämpää sianlihantuotantoa

Sikatalouden kannattavuushaasteet ovat monin tavoin kehittäneet sianlihantuotantoa tehokkaammaksi, mikä osaltaan on sekä vähentänyt ympäristövaikutuksia että aiheuttanut uusia haasteita. Toisaalta yleiset ihmistoiminnan ympäristövaikutusten vähentämistavoitteet luovat tarpeen kehittää myös sianlihantuotantoa edelleen nykyistä kestävämmäksi. Yksikkökoon ja tuotannon tehokkuuden kasvu sekä tuotannon keskittyminen on aiheuttanut mm. myös lannan alueellista keskittymistä, jolloin sen kestävä hyödyntäminen tuotantokeskittymissä alkaa olla paikoin haasteellista, ja riski ympäristöhaittoihin kasvaa. Toisaalta ympäristöhaasteet myös jarruttavat sikatalouden kehittämistä ja kasvua. Tilanne on erityisen haastava Varsinais-Suomessa, jossa on yli 25 % Suomen sioista ja peltomaan fosforipitoisuudet ovat jo varsin korkeita. Hankkeen tavoitteena oli selvittää sianlihantuotannon mahdollisuuksia toimia nykyistä kestävämmällä tavalla huomioiden energiaomavaraisuus, ravinteiden kierrätys, ympäristövaikutusten minimointi sekä maan rakenteen parantaminen esim. viljelykiertoja ja kehittynyttä lannankäsittelyä hyödyntäen. Erilaisten tehostamistoimenpiteiden vaikutuksia ravinne- ja energiataseisiin, taloudelliseen kannattavuuteen sekä elinkaarisiin ympäristövaikutuksiin arvioitiin agri- ja nurmisymbiooseiksi määriteltyjen toimintamallien avulla. Tulosten perusteella symbioosimuotoiseen toimintaan siirtyminen vähentää sianlihantuotannon ilmaston lämpenemistä aiheuttavia päästöjä noin 35 – 50 % nykytilaan verrattuna riippuen biokaasun hyödyntämistavoista. Symbiooseilla voidaan vähentää myös rehevöittäviä päästöjä ja toimintatapa on tilan kannalta mielekäs sekä ravinne- että energiataseen kannalta. Toimintamalli ei myöskään aiheuta tilalle lisäkustannuksia nykytilaan verrattuna. Symbiooseissa kuitenkin tarvitaan nykytilaa enemmän typpiravinteita ja myös käytetään enemmän orgaanisia lannoitteita, jonka vuoksi ammoniakkipäästöt kasvavat nykytilaan verrattuna. Toimintamallilla saavutettavien hyötyjen täysimääräinen toteutuminen edellyttääkin koko toimintaketjun eri vaiheiden optimointia ja hyvää hallintaa. Nurmen lisääminen viljelykiertoon, lannan prosessointi biokaasulaitoksessa yhdessä kasviperäisten massojen kanssa sekä mädätteen erottaminen neste- ja kuivajakeeseen mahdollistavat tilan omassa kierrossa olevien ravinteiden tehokkaamman hyödyntämisen ja vähentävät fosforihuuhtoumaa nykytilaan verrattuna. Typpihävikkien minimoimiseksi ravinnetuotteet on varastoitava katetuissa varastoissa, nestejakeet levitettävä sijoittamalla ja kuivajakeet mullattava välittömästi levityksen jälkeen. Näillä toimilla hallitaan myös ammoniakkipäästöjä. Metaanipäästöjen vähentämiseksi lanta on käsiteltävä biokaasulaitoksessa tuoreena ilman välivarastointia ja viipymän kaasunkeräyksen piirissä on oltava riittävä. Mikäli biokaasusta jalostetaan liikennepolttoainetta, niin jalostusprosessin tulisi sisältää poistokaasujen polttimen. Nykytiedon valossa symbioosimuotoinen toiminta tarkastelussa käytetyillä oletuksilla ei vielä kääntänyt maaperän hiilen vähenemistä varastoitumiseksi. Maaperän hiilivaraston muutosnopeuteen vaikuttavista toimista tarvitaankin vielä lisää tutkimustietoa. Mallinnuksen perusteella voidaan kuitenkin vahvistaa, että orgaanisella lannoitteella voidaan lisätä pitkään mineraalilannoitteilla viljellyn peltomaan hiilen määrää, ja että symbioosimuotoinen toiminta vähensi hiilipäästöjä kokonaisuutta tarkasteltaessa nykytilaan verrattuna. Maaperän rakennetta parantaa myös kevyempi lannan levityskalusto, mikä voi pitkällä aikavälillä nostaa satotasoja ja vähentää edelleen osaltaan ravinteiden huuhtoutumista

Quantification of forest carbon flux and stock uncertainties under climate change and their use in regionally explicit decision making: Case study in Finland

Uncertainties are essential, yet often neglected, information for evaluating the reliability in forest carbon balance projections used in national and regional policy planning. We analysed uncertainties in the forest net biome exchange (NBE) and carbon stocks under multiple management and climate scenarios with a process-based ecosystem model. Sampled forest initial state values, model parameters, harvest levels and global climate models (GCMs) served as inputs in Monte Carlo simulations, which covered forests of the 18 regions of mainland Finland over the period 2015–2050. Under individual scenarios, the results revealed time- and region-dependent variability in the magnitude of uncertainty and mean values of the NBE projections. The main sources of uncertainty varied with time, by region and by the amount of harvested wood. Combinations of uncertainties in the representative concentration pathways scenarios, GCMs, forest initial values and model parameters were the main sources of uncertainty at the beginning, while the harvest scenarios dominated by the end of the simulation period, combined with GCMs and climate scenarios especially in the north. Our regionally explicit uncertainty analysis was found a useful approach to reveal the variability in the regional potentials to reach a policy related, future target level of NBE, which is important information when planning realistic and regionally fair national policy actions. A Correction to this article was published on 12 September 2023

Framework to study the effects of climate change on vulnerability of ecosystems and societies : case study of nitrates in drinking water in Southern Finland

Climate change may alter the services ecosystems provide by changing ecosystem functioning. As ecosystems can also resist environmental perturbations, it is crucial to consider the different processes that influence resilience. Our case study considered increased NO3− concentration in drinking water due to the climate change. We analyzed changes in ecosystem services connected to water purification at a catchment scale in southern Finland. We combined climate change scenarios with process-based forest growth (PREBAS) and eco-hydrological (PERSiST and INCA) models. We improved traditional model calibration by timing of forest phenology and snow-covered period from network of cameras and satellite data. We upscaled the combined modelling results with scenarios of population growth to form vulnerability maps. The boreal ecosystems seemed to be strongly buffered against NO3- leaching by increase in evapotranspiration and vegetation NO3- uptake. Societal vulnerability varied greatly between scenarios and municipalities. The most vulnerable were agricultural areas on permeable soil types

Sources and sinks of greenhouse gases in the landscape : Approach for spatially explicit estimates

Climate change mitigation is a global response that requires actions at the local level. Quantifying local sources and sinks of greenhouse gases (GHG) facilitate evaluating mitigation options. We present an approach to collate spatially explicit estimated fluxes of GHGs (carbon dioxide, methane and nitrous oxide) for main land use sectors in the landscape, to aggregate, and to calculate the net emissions of an entire region. Our procedure was developed and tested in a large river basin in Finland, providing information from intensively studied eLTER research sites. To evaluate the full GHG balance, fluxes from natural ecosystems (lakes, rivers, and undrained mires) were included together with fluxes from anthropogenic activities, agriculture and forestry. We quantified the fluxes based on calculations with an anthropogenic emissions model (FRES) and a forest growth and carbon balance model (PREBAS), as well as on emission coefficients from the literature regarding emissions from lakes, rivers, undrained mires, peat extraction sites and cropland. Spatial data sources included CORINE land use data, soil map, lake and river shorelines, national forest inventory data, and statistical data on anthropogenic activities. Emission uncertainties were evaluated with Monte Carlo simulations. Artificial surfaces were the most emission intensive land-cover class. Lakes and rivers were about as emission intensive as arable land. Forests were the dominant land cover in the region (66%), and the C sink of the forests decreased the total emissions of the region by 72%. The region's net emissions amounted to 4.37 +/- 1.43 Tg CO2-eq yr(-1), corresponding to a net emission intensity 0.16 Gg CO2-eq km(-2) yr(-1), and estimated per capita net emissions of 5.6 Mg CO2-eq yr(-1). Our landscape approach opens opportunities to examine the sensitivities of important GHG fluxes to changes in land use and climate, management actions, and mitigation of anthropogenic emissions. (C) 2021 The Authors. Published by Elsevier B.V.peerReviewe

Suojelualueverkosto muuttuvassa ilmastossa – esiselvitys

Suomen ilmasto tulee muuttumaan jo lähivuosikymmeninä. Vuotuisen sademäärän on ennustettu lisääntyvän Suomessa 8 - 20 % ja lämpötilojen nousevan Suomessa 1,5 - 2 kertaa nopeammin kuin maapallolla keskimäärin, eli 2 - 6 astetta vuosisadan loppuun mennessä. Ilmastonmuutoksella ennakoidaan olevan merkittävä vaikutus suojelualueverkoston kykyyn turvata luonnon monimuotoisuutta. Luonnonsuojelu onkin huomattavien haasteiden edessä, sillä suojelualuesuunnittelussa ei ole yleensä varauduttu voimakkaisiin muutoksiin. Näiden haasteiden hallintaa vaikeuttaa myös ilmastonmuutoksen vaikutusten ennustamiseen liittyvät epävarmuudet. Suojelualueverkoston riittävyyttä ja kykyä säilyttää luonnon monimuotoisuus muuttuvassa ilmastossa voidaan arvioida eliölajiston, luontotyyppien ja ekosysteemien levinneisyyden ja ekologisten piirteiden, sekä ilmaston-muutoksen voimakkuuden alueellisten erojen ja suojelualueiden biogeofysikaalisten tekijöiden avulla. Tietoa tarvitaan erityisesti lajien ja luontotyyppien herkkyydestä ilmastonmuutokselle. Maisematason arvioinneissa voidaan käyttää yleisluonteisia kriteereitä kuten suojelualueiden määrä ja puskurialueiden laajuus, ekologisten käytävien esiintyminen ja maisemamatriisin soveltuvuus lajien leviämiseen. Itse suojelualueita voidaan arvioida niiden koon, maanpinnan muotojen ja elinympäristöjen monipuolisuuden, pienilmastollisten refugioiden esiintymisen sekä paikallisen ilmastonmuutoksen voimakkuuden perusteella. Suojelualueverkoston arvioinnissa tulee huomioida myös verkoston ulkopuolisen maankäytön vaikutuksia, sillä suojelualueiden ulkopuolella monimuotoisuutta turvaavilla toimilla voidaan edistää verkoston sopeutumista ilmastonmuutoksen vaikutuksiin. Ilmastonmuutokseen sopeutumiseen liittyvät toimet (esimerkiksi talousmetsissä) ja muu maankäyttö voivat toisaalta johtaa luonnon monimuotoisuudelle haitallisiin vaikutuksiin suojelualueverkoston sisällä ja laajemminkin. Toimivien ekologisten yhteyksien säilyttäminen on keskeistä muuttuvassa ilmastossa. Suomen lajistoon tulee täydennystä valtion rajojen ulkopuolelta. Siksi olisi tärkeää selvittää, kuinka hyvin erilaiset rajat ylittävät ekologiset käytävät, kuten Fennoskandian vihreä vyöhyke, toimivat lajien liikkumisreitteinä muuttuvassa ilmastossa. Luonnonsuojelualueverkosto on merkittävä ekosysteemipalvelujen tuottaja muuttuvassa ilmastossa. Yksi tärkeä suojelualueiden tuottama ekosysteemipalvelu on toimiminen hiilivarastona ja hiilinieluna. Siten suojelualueverkostolla on merkitystä ilmastonmuutoksen hillinnässä ja siihen sopeutumisessa, mutta tätä asiaa ei ole aiemmin tutkittu Suomessa