Risto Sievänen Tausta
Metsät ovat merkittävä tekijä maapallon ilmakehän hiilivirroissa, kuva 1. Ne sitovat kasvuunsa joka vuosi noin 50 prosenttia fossiilisten polttoaineiden ja sementin tuotannosta tulevista hiilipäästöistä (Pan et al. 2011, kuva 1). Metsät vaikuttavat siis selvästi tärkeimmän kasvihuonekaasun, hiilidioksidin, globaaliin dynamiikkaan. Sen takia ne voivat olla
merkittävä tekijä etsittäessä keinoja hillitä maapallon ilmakehän hiilidioksidipitoisuuden nousua. Tämä on huomattu ilmastosopimuksia laadittaessa ja metsien kasvihuonekaasutaseet ovat mukana sääntelyssä, Kioton pöytäkirjan sanoin:
Kuva 1. Globaaleja hiilivarastoja (musta teksti) ja tärkeimpiä virtoja (punainen teksti) kaudella 2000-2009 (Climate Change 2013).
“The net changes in greenhouse gas emissions by sources and removals by sinks resulting from direct human-induced land-use change and forestry activities, limited to afforestation, reforestation and deforestation since 1990, measured as verifiable changes in carbon stocks in each commitment period, shall be used to meet the commitments …” (Artikla 3.3)
ja
“… additional human-induced activities related to changes in greenhouse gas emissions by sources and removals by sinks in the agricultural soils and the land-use change and forestry categories shall be added to, or subtracted from, the assigned amounts for Parties …“ (Artikla 3.4)
Suomi kuuluu boreaaliseen metsävyöhykkeeseen, joka Euraasian ja Amerikan mantereen pohjoisosissa muodostaa merkittävän osan, 51 % metsien globaalista nettonielusta 1,1 Gt C / vuosi (Pan et al. 2011). Suomessa nuo Kioton protokollan mainitsemat metsien hiilivarastojen muutokset ja niihin liittyvät virrat ovat merkittäviä energiankäytöstä ja muista toimista tuleviin kasvihuonekaasupäästöihin verrattuna. Metsien nettonielu oli vuonna 2011 36 Mt CO2, joka on yli puolet Kioton pöytäkirjan 1. sitoumuskauden 2008-2012 sallitusta päästö-tasosta 71 Mt CO2/vuosi. Osan metsien nielusta voi lukea hyväksi Kioton pöytäkirjan päästö-rajaa tavoiteltaessa. Metsänielun käyttöä on kuitenkin rajoitettu niin, että Suomen hyöty siitä on Kioton 1. sitoumuskaudella noin 3,5 Mt CO2/vuosi. Toisen sitoumuskauden 2013-2020 tarkemmat laskentasäännöt ovat vielä auki mutta metsät tulevat olemaan edelleenkin mukana.
Metsien hiilinielujen kehityksen ennustamista on tehty eri tarkoituksiin jo kauan Suomessa.
Tarkoitusperät ovat vaihdelleet luonnontieteellisestä kiinnostuksesta (Matala ym. 2009) ilmastosopimusten tarpeisiin (Sievänen et al. 2007), on myös arvioitu erilaisten metsiin kohdistuvien toimien, kuten bioenergian korjuu, nettovaikutuksia kansalliseen kasvihuone-kaasutaseeseen (Kallio ym. 2013).
Metsikön hiilidynamiikka
Metsän hiilivarat ovat elävässä puustossa ja kasveissa sekä kuolleessa orgaanisessa aineessa.
Kuollut orgaaninen aine on nimensä mukaisesti eri asteisissa hajoamisen tiloissa olevia puiden ja muiden kasvien jäänteitä (kuolleet puut, maahan varisseet oksat ja lehdet jne.).
Maassa olevaa kuolleen orgaaniseen aineen hiiltä kutsutaan maaperän hiilivarastoksi.
Puuston kehitys ajaa näiden kahden metsän hiilivaraston (puut ja kuollut orgaaninen aine) yksinkertaista dynamiikkaa, kuva 2. Puustosta syntyy kariketta, joka on syöte orgaanisen aineen varastoon. Orgaaninen aine hajoaa karkeasti ottaen eksponentiaalisesti, hajoamis-kerroin riippuu metsikön lämpötila- ja kosteusoloista.
Kuva 2. Periaatekuva metsikön (mäntymetsä Etelä-Suomessa) puiden (vihreä viiva) ja kuolleen orgaanisen aineen hiilen (punainen viiva) varastojen kehityksestä pääte-hakkuun jälkeen kun metsikköä on harvennuttu iällä 40 ja 60 vuotta. Kuolleen orgaanisen aineen varaston kasvu alussa johtuu päätehakkuun hakkuutähteistä.
Metsien hiilidynamiikka ja skenaariot
Metsäalueiden hiilitasetta ennustettaessa on otettava huomioon, että niillä metsät koostuvat metsiköistä, jotka ovat eri kehitysvaiheissa ja joita voidaan käsitellä erilaisin tavoittein.
Tällaisiin tarpeisiin on tehty metsätalouden suunnitteluohjelmistoja, joiden avulla ratkaistaan eri metsiköihin eri aikoina kohdistettavat toimenpiteet annetuilla rajoituksilla. Kasvumallin avulla ennustetaan metsiköiden puuston kehitys toimenpiteiden välillä.
Suomessa tähän on käytetty metsätalouden analyysi- ja suunnitteluohjelmistoa MELA (Redsven ym. 2013). MELA käyttää lähtötietoina valtakunnan metsien inventoinnin puustomittauksia. Se generoi suuren määrän toimenpide- ja kehitysvaihtoehtoja eri ajanhetkinä (5 vuoden välein) jokaiselle metsiköille. Optimaaliset toimenpiteet ratkaistaan lineaarisen ohjelmoinnin ongelmana. Optimointikriteeri on yleensä nettotulojen nykyarvo, rajoituksina ovat mm. eri puutavaralajien ja myös energiapuun hakkuumäärät eri aikoina.
Rajoituksena on myös vaatimus, että tämän hetken toimenpiteiden vuoksi
hakkuu-mahdollisuudet eivät laske tulevaisuudessa (ns. kestävyysvaatimus). Lisäksi on joukko muun muassa metsien käsittelyyn liittyviä (mm. luonnonsuojelu, rajoitetun metsätalouden
mahdollisuus) rajoituksia.
Hiiliskenaarioita (Sievänen ym. 2013, Kallio ym. 2013) varten MELA:an kytkettiin arviot tulevista puun ja energiapuun kysynnästä sekä komponentit hiilitaseiden laskemiseksi (kuva 3). MELA:n kasvumalleissa vuoden keskilämpötila ja ilman hiilidioksidipitoisuus vaikuttaa puiden kasvunopeuteen.
Kuva 3. Metsien hiilitaseen laskentajärjestelmän komponentit ja syöttötiedot. MELA tuotti arvion puuston määrästä, biomassafunktioiden avulla arvioitiin puuston hiilimäärä sekä kuolleen orgaanisen aineen (litter) syöte maaperään. Kuolleen orgaanisen aineen varastomuutokset laskettiin Yasso07 mallilla (Tuomi ym. 2011) kivennäismaille ja ns. emissiokertoimien (Sievänen ym. 2013) avulla turvemaille.
Puun- ja energiapuun kysynnän skenaariot (Taulukko 1) pohjautuivat metsäteollisuuden ennakoituun kehitykseen sekä energiapolitiikan linjauksiin (Sievänen ym. 2012). Lisäksi tarkasteltiin suurinta mahdollista puun käyttöä ”Suurin kestävä” skenaariossa. Vuoden keskilämpötila, sadanta ja ilman hiilidioksidipitoisuus olivat IPCC:n A1B-skenaarion (Jylhä ym. 2009) mukaiset.
Taulukko 1. Puun käyttö kolmessa skenaariossa vuonna 2020.
Simulointien mukaan (kuva 4) nykyoloissa ja tulevaisuudessa metsiemme hiilitase on selvästi positiivinen, eli metsät sitovat kasvavaan puustoon ilmakehästä hiilidioksidia enemmän kuin sitä vapautuu hajotuksen ja metsien käytön seurauksena. Metsien hiilen sidonta kattaa keski-määrin noin 40 % Suomen nykyisistä vuotuisista kasvihuonekaasupäästöistä.
Koko metsän hiilivarastot seuraavat jokseenkin kiinteästi puiden hiilivaraston muutoksia.
Maaperän hiilivarasto seuraa viiveellä puuston kehitystä. Kivennäismaiden maaperän nielu vähenee alussa kaikissa skenaarioissa koska maaperässä on vanhaa 1990-luvun lopun hakkuiden tuottamasta korkeasta karikemäärästä periytyvää varastoa, joka hajoaa. Tämä nielu kääntyy 10–20 vuodessa kasvuun, koska lisääntyvä puusto tuottaa yhä enemmän kariketta Lähempänä nykyistä metsien käyttöastetta olevissa vaihtoehdoissa hiilinielu jopa kasvaa edelleen, vaikka puuta käytetäänkin energianlähteenä. Ilmastonmuutos kasvattaa metsien hiilinielua, koska puiden kasvu ja kariketuotos lisääntyvät enemmän kuin karikkeen hajotus.
Kuva 4. Hiilen nielut (positiiviset arvot) ja lähteet (negatiiviset arvot) metsien puustossa (B), kivennäismaiden (C) ja turvemaiden (D) maaperässä taulukon 1 mukaisissa skenaarioissa. Osakuvassa A (Forest land) on puusto ja maaperä yhteenlaskettuina.
Mustat neliöt ovat kasvihuonekaasuraportoinnissa vuonna 2011 lasketut arvot.
Viitteet
Climate Change 2013: The Physical Science Basis. Working Group I Contribution to the IPCC 5th Assessment Report.
Jylhä, K.; Ruosteenoja, K.; Räisänen, J.; Venäläinen, A.; Tuomenvirta, H.; Ruokolainen, L.;
Saku, S. & Seitola, 2009. T. Arvioita Suomen muuttuvasta ilmastosta sopeutumistutkimuksia varten. ACCLIM-hankkeen loppuraportti. Ilmatieteen laitos, Raportteja No. 2009: 4.
Kallio, A.M.I., Salminen, O. & Sievänen, R. 2013. Sequester or substitute - Consequences of increased production of wood based energy on the carbon balance in Finland. Journal of Forest Economics 19: 402–415 ͒DOI: 10.1016/j.jfe.2013.05.001
Matala J, Kärkkäinen L, Härkönen K, Kellomäki S, Nuutinen T 2009. Carbon sequestration in the growing stock of trees in Finland under different cutting and climate scenarios. Eur J For Res 128:493–504
Pan, Y. et al. 2011 A Large and Persistent Carbon Sink in the World's Forests. Science 333, 988-993. DOI: 10.1126/science.1201609.
Redsven, V., Hirvelä, H., Härkönen, K., Salminen, O., Siitonen, M. 2013. MELA2012 Reference Manual (2nd edition). The Finnish Forest Research Institute. 666 p. ISBN: 978-951-40-2451-1
Sievänen, R., Kareinen, T., Hirvelä, H. & Ilvesniemi, H. 2007. Hakkuumahdollisuusarvioihin perustuvat metsien kasvihuonekaasutaseet. Metsätieteen aikakauskirja 4/2007: 329-339.
Sievänen, R., Lehtonen, A., Ojanen, P. & Salminen, O. 2012. Metsien hiilitaseet. Julkaisussa:
Asikainen, A., Ilvesniemi, H., Sievänen, R., Vapaavuori, E. & Muhonen, T. (toim.).
Bioenergia, ilmastonmuutos ja Suomen metsät. Metlan työraportteja / Working Papers of the Finnish Forest Research Institute 240: 197-204.
http://www.metla.fi/julkaisut/workingpapers/2012/mwp240.htm
Sievänen, R., Salminen, O., Lehtonen, A., Ojanen, P., Liski, J., Ruosteenoja, K. & Tuomi, M.
2013. Carbon stock changes of forest land in Finland under different levels of wood use and climate change. Annals of Forest Science. DOI: 10.1007/s13595-013-0295-7
Tuomi M, Laiho R, Repo A, Liski J (2011) Wood decomposition model for boreal forests.
Ecol Modell 222:709–718.
Kirjoittajasta
Risto Sievänen (risto.sievanen@metla.fi) syntyi 4.1.1953 Enossa, Pohjois-Karjalassa. Hän valmistui diplomi-insinööriksi vuonna 1978 Teknillisen fysiikan osastolta Systeemiteoria pääaineena. Hän harjoitti jatko-opintoja Systeemiteorian laboratoriossa, lisensiaattityö valmistui vuonna 1983 ja väitöskirja ”Construction and identification of models for tree and stand growth” vuonna 1992 Automaatio-tekniikan laboratoriossa Aarne Halmeen johdolla. Hän on
työskennellyt vuodesta 1981 Metsäntutkimuslaitoksessa. Tutkimukset ovat kohdistuneet puiden kasvun dynamiikkaan ja hiilen kiertoon yksilötasolta valtakunnan mittakaavaan. Hän toiminut tutkimusohjelman koordinaattorina ja työskennellyt vierailevana tutkijana Yhdysvalloissa, Saksassa ja Ranskassa.