Coupling carbon sequestration of forests and croplands with ecosystem service assessments

Show full item record



Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-4942-8
Title: Coupling carbon sequestration of forests and croplands with ecosystem service assessments
Author: Akujärvi, Anu
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Science, Department of Geosciences and Geography
Doctoral Programme in Geosciences
Finnish Environment Institute, Biodiversity Centre
Publisher: Helsingin yliopisto
Date: 2020-09-18
URI: http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-4942-8
http://hdl.handle.net/10138/318649
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Abstract: 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.
Subject: luonnonmaantiede
Rights: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.


Files in this item

Total number of downloads: Loading...

Files Size Format View
Coupling_korjattu_2.pdf 2.352Mb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record