Epsilon Archive for Student Projects

Abstract

During the last year the awareness about the anthropogenic induced climate change due to increasing level of Green House Gases (GHGs), like for example carbon dioxide (CO2) has increased drastically. The atmospheric content of CO2 which is the GHG that the forest sector mainly can influence has increased from 280 ppm pre-industrial time (1750) to 379 ppm 2005. Currently the concentration exceeds the natural concentration during the last 650 000 year (180-300 ppm). 80 % of this increase is caused by combustion of fossil fuel and the remaining share mainly origin from the Land-Use Change, Land-Use and Forestry sector (LUCLUF). At present forests cover 30 % of the global terrestrial land area and it is the most important terrestrial carbon sink. Therefore forestry has an important role to play in climate change mitigation work; the LUCLUF sector is included in the Kyoto protocol and article 3.4 handles forest management as a way to mitigate climate change. For forest rich countries such as Sweden with sustainable forest management applied, forests are an important carbon sink and the Swedish forests are estimated to be an annual sink at around 40 Mt. CO2.
The mitigation options for the forest sector are often divided into four main options:

A. Increasing or maintaining the forest area
B. Changing forest management: Increasing carbon density at plot and landscape level
C. Substitution of energy intensive materials
D. Bioenergy

For forest rich countries with stable forest area option B, C and D are most important. Altogether there are a lot of scientific papers and articles written about these options and their potential, but they always apply a time horizon that reaches over at least one rotation period. Even if the Stern report for example point out that action taken within the nearest 30 years is most important. The purpose with my master thesis is to examine the time horizons influence on if the best mitigation strategy is to prolong or to shorten the rotation age with 20 years compared to a business as usual scenario (BAU), which was used as a reference scenario. I applied those scenarios on a synthetic Norway spruce forest based on the current state in the Norway spruce forest in the region Götaland, Sweden. I divided my synthetic forest into three yield classes, low, medium and high and I also calculated the differences in climate change mitigation potential for this yield classes in the BAU scenario.
For analyzing the different rotation lengths influence I used the carbon accounting model CO2FIX V 3.1. It is an ecosystem-level simulation model that quantifies carbon stocks and fluxes in the forest ecosystem (biomass and soil), forest products and bioenergy substitution pools.
For simulating the time horizons influence on net CO2 emission I applied a 30 years horizon for the short term and a 300 years horizon for the long term horizon. My simulations clearly showed that the time horizon has a huge influence on which mitigation strategy that is to prefer and when the applied time horizon shifted, the best mitigation strategy shifted as well.
In the 30 years horizon, prolonged rotation age with 20 years had the highest mitigation potential in all yield classes, through that the biomass carbon pool had the biggest impact on reducing net CO2 emissions. This resulted in that the annual carbon sink due to forest management under the Kyoto protocol article 3.4 for Norway spruce forest in Götaland would be 0.87 TgC for the prolonged scenario compared to the BAU scenario. This amount is more than the eligible sink for forest management for whole Sweden under article 3.4, which is 0,59 TgC/year. On the other hand a shortened rotation age increased the annual bioenergy substitution effect with 0,95 TgC, compared to the prolonged scenario, an increase where the whole amount would be accountable as a decrease in fossil fuel consumption under the Kyoto protocol. Altogether the prolonged scenario increased the annually carbon sink measured over all pools with 0,66 TgC (6 %) compared to the shortened scenario and with 0,24 TgC (2 %) compared to the BAU scenario.
When 300 years time horizon was applied the relative mitigation potential shifted for the different management scenarios. The share of carbon allocated to the biomass and soil carbon pool declined from 73 % to 29 % in the BAU scenario. In addition to this the annual carbon sink through forest management in the biomass and soil carbon pool decreased to 0,08 TgC for the prolonged scenario compared to the BAU scenario. Also the annual difference in bioenergy substitution carbon pools decreased, but only to 0,59 TgC.
Summarizing all shifts, the 300 years horizon led to that the best mitigation scenario was the shortened scenario. Compared to the prolonged scenario it annually increased the carbon sink with 0,41 TgC (14 %) and with 0,11 TgC ( 3 %) compared to the BAU scenario. This result clearly visualizes the different carbon pools characteristics and how the importance of carbon pools that do not get saturated such as bioenergy pools increase over a longer term compared to the biomass carbon pool that get more or less saturated over a longer term.
The comparison between the different yield classes' mitigation potential per hectare showed that a difference in increment with i.e. 20 % affected the net CO2 emissions reduction in a similar way and therefore the importance of increment must be taken into account when it have the biggest influence.

Sammanfattning

Under de senaste åren har klimatfrågan hamnat allt mer i fokus igen och det råder i stort sett inget tvivel längre om att klimatförändringen huvudsakligen är orsakat av förhöjda halter av växthusgaser (GHG) i atomsfären och då främst koldioxid (CO2). Ökningen från 280 ppm år 1750 till 379 ppm 2005 beror till 80 % på förbränning av fossila bränslen, men nästan hela den resterande ökningen härrör från markanvändningsfrågor och då främst avskogningen i tropikerna. Skogsekosystem utgör idag 30 % av den globala landarealen och 42 % av det terrestra kollagret är bundet i skogsmark, skogen och skogsbruket är också ett av de få sätt där vi aktivt kan avlägsna koldioxid från atmosfären. För Europa är det beräknat att skogsskötsel kan bidra med 60 % av minskningen av CO2 utsläpp om kostnaden är satt till 100US$/t CO2 eller lägre. På grund av detta har skogssektorn fått en betydande roll i det globala klimatarbetet och skogsskötsel berörs av artikel 3.4 i Kyoto protokollet där ökad kolinlagring; direkt inducerad av mänsklig aktivitet får räknas, det vill säga ej t.ex. en ökning orsakad av atmosfäriskt kvävenedfall. För skogrika länder med stabil skogsmarksareal som t.ex. Sverige är denna artikel den mest relevanta och i dagsläget har den svenska skogen ett årligt nettoupptag av CO2 på 40 miljoner ton vilket nästan motsvarar de svenska koldioxidutsläppen från förbränning av fossila bränslen på mellan 50-60 miljoner ton årligen. Skogsektorns olika sätt att minska nettoutsläppen av CO2 brukar delas in i fyra olika huvudgrupper:

A. Öka eller bibehålla skogsmarksarealen
B. Genom skogsskötsel öka kollagret på bestånds och landskapsnivå
C. Substitution av energikrävande material (betong, stål, etc.)
D. Bioenergi som substitution av fossila bränslen

Det finns åtskilliga vetenskapliga artiklar som behandlar hur skog skall skötas för att nettoutsläppen CO2 till atmosfären skall minimeras och vilken skötselstrategi som bäst svarar upp till dessa krav. En sak som de dock har gemensamt är att de applicerar sina skötselstrategier på en tidshorisont som åtminstone sträcker sig över en omloppstid och ibland även över flera hundra år. Detta kan te sig logiskt inom skogsbruk med dess traditionellt sett långa tidshorisonter som ofta är styrda av den biologiska omloppstiden som maximerar totalproduktionen virke. Men i en kontext av att minska nettoutsläppen av CO2 anses det oftast att åtgärder tagna inom en trettioårsperiod är av högsta vikt med tanke på osäkerheten gällande klimatmekanismer, som till exempel ändrade havsströmmar. Detta poängteras bland annat i Sternrapporten och detta synsätt är allmänt vedertaget inom de flesta andra sektorerna som t.ex. energi med mål i EU till 2020. Dessa kortare tidsperspektiv eller delmål saknas i de flesta undersökningarna gällande skogsskötsel och reducering av nettoutsläppen CO2. Därför har jag i mitt examensarbete fokuserat på att jämföra hur tidshorisonterna 30 år respektive 300 år påverkar valet av bästa skötselstrategi för att minska nettoutsläppen av CO2.
Skötselstrategierna som testades var om det var mest fördelaktigt att höja, sänka eller att bibehålla nuvarande avverkningsintensitet, detta gjordes genom att förkorta respektive förlänga omloppstiden med 20 år jämfört med nuvarande omloppstid (BAU). Det som studerades var hur allokeringen av kol i olika pooler och poolernas betydelse skiftade med tidshorisonten. Jag jämförde även skillnaden mellan de olika bonitetsklasserna i ett BAU scenario.
För att simulera detta använde jag mig av kolberäkningsprogrammet CO2FIX V 3.1. Det är en simuleringsmodell på ekosystemsnivå som kvantifierar kolpooler och kolflöden. Modellen skiljer på kol allokerat i biomassa, mark, produkter och bioenergi som är en substitutionspool som egentligen bistår av kol lagrat som icke förbränt fossilt bränsle. För att studera detta i ett större landskapsperspektiv skapade jag en syntetisk skog, med produktiv granskog i Götaland, Sverige som förebild. Jag delade upp min syntetiska skog i tre olika bonitetsklasser; låg, medel och hög bonitet.
Mina simuleringar visade att tidshorisonten hade en väsentlig betydelse för valet av bästa skötselalternativ. När 30 års tidshorisont var applicerad var den förlängda rotationsperioden det bästa alternativet för att reducera nettoutsläppen av CO2 i alla bonitetsklasser. Anledningen till detta var biomassapoolen hade störst betydelse med 30 års tidhorisont. Storleken på den stigande årliga kolsänkan i biomassan och marken som en förlängd omloppstid ledde till jämfört med BAU, var 0,87 TgC. En ökning som är giltig under artikel 3.4 i Kyotoprotokollet, dock får Sverige maximalt räkna 0,59 TgC årligen som sänka under denna artikel. Jämfört med den förkortade omloppstiden minskade dock den årliga bioenergi substitutionspoolen med 0,95 TgC, en sänka där allt är avräkningsbart som en minskning i förbrukning av fossila bränslen under Kyotoprotokollet.
Summerat över alla pooler ledde förlängd omloppstid till att den årliga kolinlagringen ökade med 0,66 TgC (6%) jämfört med förkortad omloppstid och med 0,24 TgC jämfört med BAU.
Detta resultat ändrades fullständigt när tidshorisonten ändrades till 300 år, vilket framför allt berodde på att poolernas inflytande och betydelse ändrades. Till exempel sjönk andelen kol allokerat i biomassa och markkolpoolen från 73 % till 29 % i BAU scenariot. Den längre tidshorisonten ledde också till att skillnaden på den årliga biomassa och marksänkan minskade till 0,08 TgC jämfört med BAU scenariot. Skillnaden minskade också i bioenergi- poolen mellan förlängd och förkortad omloppstid, men bara till 0,59 TgC/år. När förändringarna summerades ledde detta till att den förkortade omloppstiden reducerade netto-utsläppen av CO2 över 300 års horisont mest. Jämfört med förlängd omloppstid ökade den årliga kolsänkan med 0,41 TgC (14 %) och jämfört med BAU var ökningen 0,11 TgC (3 %). Detta resultat visar tydligt hur de olika poolernas betydelse förändras beroende av tidshorisonten och hur betydelsen av bioenergipoolerna ökar med tanke på att de inte blir mättade såsom ekosystemspoolerna.
Jämförelsen mellan de olika bonitetsklassernas potential som kolsänka visade att höjd tillväxt är det mest effektiva sättet att minska nettoutsläppet av CO2 till atmosfären oberoende av tidshorisonten. En skillnad i tillväxt på 20 % ledde till att skillnaden av kolsänkans storlek i stort sett också var 20 %.

Under de senaste åren har klimatfrågan hamnat allt mer i fokus igen och det råder i stort sett
inget tvivel längre om att klimatförändringen huvudsakligen är orsakat av förhöjda halter av
växthusgaser (GHG) i atomsfären och då främst koldioxid (CO2). Ökningen från 280 ppm år
1750 till 379 ppm 2005 beror till 80 % på förbränning av fossila bränslen, men nästan hela
den resterande ökningen härrör från markanvändningsfrågor och då främst avskogningen i
tropikerna. Skogsekosystem utgör idag 30 % av den globala landarealen och 42 % av det
terrestra kollagret är bundet i skogsmark, skogen och skogsbruket är också ett av de få sätt där
vi aktivt kan avlägsna koldioxid från atmosfären. För Europa är det beräknat att skogsskötsel
kan bidra med 60 % av minskningen av CO2 utsläpp om kostnaden är satt till 100US$/t CO2
eller lägre. På grund av detta har skogssektorn fått en betydande roll i det globala
klimatarbetet och skogsskötsel berörs av artikel 3.4 i Kyoto protokollet där ökad kolinlagring;
direkt inducerad av mänsklig aktivitet får räknas, det vill säga ej t.ex. en ökning orsakad av
atmosfäriskt kvävenedfall. För skogrika länder med stabil skogsmarksareal som t.ex. Sverige
är denna artikel den mest relevanta och i dagsläget har den svenska skogen ett årligt
nettoupptag av CO2 på 40 miljoner ton vilket nästan motsvarar de svenska koldioxidutsläppen
från förbränning av fossila bränslen på mellan 50-60 miljoner ton årligen. Skogsektorns olika
sätt att minska nettoutsläppen av CO2 brukar delas in i fyra olika huvudgrupper:
A. Öka eller bibehålla skogsmarksarealen
B. Genom skogsskötsel öka kollagret på bestånds och landskapsnivå
C. Substitution av energikrävande material (betong, stål, etc.)
D. Bioenergi som substitution av fossila bränslen
Det finns åtskilliga vetenskapliga artiklar som behandlar hur skog skall skötas för att
nettoutsläppen CO2 till atmosfären skall minimeras och vilken skötselstrategi som bäst svarar
upp till dessa krav. En sak som de dock har gemensamt är att de applicerar sina
skötselstrategier på en tidshorisont som åtminstone sträcker sig över en omloppstid och ibland
även över flera hundra år. Detta kan te sig logiskt inom skogsbruk med dess traditionellt sett
långa tidshorisonter som ofta är styrda av den biologiska omloppstiden som maximerar
totalproduktionen virke. Men i en kontext av att minska nettoutsläppen av CO2 anses det
oftast att åtgärder tagna inom en trettioårsperiod är av högsta vikt med tanke på osäkerheten
gällande klimatmekanismer, som till exempel ändrade havsströmmar. Detta poängteras bland
annat i Sternrapporten och detta synsätt är allmänt vedertaget inom de flesta andra sektorerna
som t.ex. energi med mål i EU till 2020. Dessa kortare tidsperspektiv eller delmål saknas i de
flesta undersökningarna gällande skogsskötsel och reducering av nettoutsläppen CO2. Därför
har jag i mitt examensarbete fokuserat på att jämföra hur tidshorisonterna 30 år respektive 300
år påverkar valet av bästa skötselstrategi för att minska nettoutsläppen av CO2.
Skötselstrategierna som testades var om det var mest fördelaktigt att höja, sänka eller att
bibehålla nuvarande avverkningsintensitet, detta gjordes genom att förkorta respektive
förlänga omloppstiden med 20 år jämfört med nuvarande omloppstid (BAU). Det som
studerades var hur allokeringen av kol i olika pooler och poolernas betydelse skiftade med
tidshorisonten. Jag jämförde även skillnaden mellan de olika bonitetsklasserna i ett BAU
scenario.
För att simulera detta använde jag mig av kolberäkningsprogrammet CO2FIX V 3.1. Det är en
simuleringsmodell på ekosystemsnivå som kvantifierar kolpooler och kolflöden. Modellen
skiljer på kol allokerat i biomassa, mark, produkter och bioenergi som är en substitutionspool
som egentligen bistår av kol lagrat som icke förbränt fossilt bränsle. För att studera detta i ett
större landskapsperspektiv skapade jag en syntetisk skog, med produktiv granskog i Götaland, Sverige som förebild. Jag delade upp min syntetiska skog i tre olika bonitetsklasser; låg,
medel och hög bonitet.
Mina simuleringar visade att tidshorisonten hade en väsentlig betydelse för valet av bästa
skötselalternativ. När 30 års tidshorisont var applicerad var den förlängda rotationsperioden
det bästa alternativet för att reducera nettoutsläppen av CO2 i alla bonitetsklasser.
Anledningen till detta var biomassapoolen hade störst betydelse med 30 års tidhorisont.
Storleken på den stigande årliga kolsänkan i biomassan och marken som en förlängd
omloppstid ledde till jämfört med BAU, var 0,87 TgC. En ökning som är giltig under artikel
3.4 i Kyotoprotokollet, dock får Sverige maximalt räkna 0,59 TgC årligen som sänka under
denna artikel. Jämfört med den förkortade omloppstiden minskade dock den årliga bioenergi
substitutionspoolen med 0,95 TgC, en sänka där allt är avräkningsbart som en minskning i
förbrukning av fossila bränslen under Kyotoprotokollet.
Summerat över alla pooler ledde förlängd omloppstid till att den årliga kolinlagringen ökade
med 0,66 TgC (6%) jämfört med förkortad omloppstid och med 0,24 TgC jämfört med BAU.
Detta resultat ändrades fullständigt när tidshorisonten ändrades till 300 år, vilket framför allt
berodde på att poolernas inflytande och betydelse ändrades. Till exempel sjönk andelen kol
allokerat i biomassa och markkolpoolen från 73 % till 29 % i BAU scenariot. Den längre
tidshorisonten ledde också till att skillnaden på den årliga biomassa och marksänkan
minskade till 0,08 TgC jämfört med BAU scenariot. Skillnaden minskade också i bioenergipoolen
mellan förlängd och förkortad omloppstid, men bara till 0,59 TgC/år. När
förändringarna summerades ledde detta till att den förkortade omloppstiden reducerade nettoutsläppen
av CO2 över 300 års horisont mest. Jämfört med förlängd omloppstid ökade den
årliga kolsänkan med 0,41 TgC (14 %) och jämfört med BAU var ökningen 0,11 TgC (3 %).
Detta resultat visar tydligt hur de olika poolernas betydelse förändras beroende av
tidshorisonten och hur betydelsen av bioenergipoolerna ökar med tanke på att de inte blir
mättade såsom ekosystemspoolerna.
Jämförelsen mellan de olika bonitetsklassernas potential som kolsänka visade att höjd tillväxt
är det mest effektiva sättet att minska nettoutsläppet av CO2 till atmosfären oberoende av
tidshorisonten. En skillnad i tillväxt på 20 % ledde till att skillnaden av kolsänkans storlek i
stort sett också var 20 %.