Effects of forest management on greenhouse gas fluxes in a boreal forest
Vestin, Patrik LU
(2017)
- Abstract
- Forest ecosystems cover 31% of the terrestrial land area and store large amounts of carbon in biomass and in soils. The 2015 Paris Agreement recognizes the importance of sinks and reservoirs of greenhouse gases (GHGs) in forests and the importance of enhancing them through sustainable forest management policies. Managing forests for climate mitigation purposes is, however, complex since management affects the climate and the environment in many different ways. The aim of the work presented in this thesis was to investigate and quantify short-term effects of forest management on GHG fluxes in a boreal forest in central Sweden.
We simulated a selective cutting system through thinning of a mature mixed Norway spruce and Scots pine forest.... (More) - Forest ecosystems cover 31% of the terrestrial land area and store large amounts of carbon in biomass and in soils. The 2015 Paris Agreement recognizes the importance of sinks and reservoirs of greenhouse gases (GHGs) in forests and the importance of enhancing them through sustainable forest management policies. Managing forests for climate mitigation purposes is, however, complex since management affects the climate and the environment in many different ways. The aim of the work presented in this thesis was to investigate and quantify short-term effects of forest management on GHG fluxes in a boreal forest in central Sweden.
We simulated a selective cutting system through thinning of a mature mixed Norway spruce and Scots pine forest. During 2007-2016, we measured fluxes of carbon dioxide (CO2) and methane (CH4) with chambers and we used the eddy-covariance (EC) technique to measure CO2 fluxes at the stand level. We established four experimental plots at a soil scarified clear-cut. Tree stumps were removed from two of these plots. During 2010-2013, we measured fluxes of CO2, CH4 and N2O (nitrous oxide) with the flux-gradient technique and with chambers (CH4) at these plots.
Forest management had clear effects on GHG fluxes. Increased soil moisture and a raised groundwater level after thinning reduced soil CH4 uptake in the thinned stand and caused the clear-cut and stump harvested plots to switch to net sources of CH4. Clear-cutting and stump harvesting resulted in large emissions of GHGs, but fluxes were dominated by CO2. The degree of wetness and vegetation development had an effect on the relative contribution of the different GHGs. Stump harvesting had significant effects on CO2 and N2O fluxes at dry plots and the results suggest reduced mitigation potential of using stumps for bioenergy production. Substantial N2O emissions at the dry stump harvested plot was an additional cause for concern. Thinning had an effect on both daytime uptake of CO2 and ecosystem respiration, which resulted in reduced net CO2 uptake at the stand level during growing seasons. On an annual basis, decreased ecosystem respiration and increased CO2 uptake by ground vegetation had larger impacts and the net effect on annual NEE was minor.
Combined, the results presented in this thesis highlight the importance of accounting for all greenhouse gases when considering short-term effects of forest management on the climate. The results indicate that a silvicultural system that avoids net emissions of GHGs during a clear-cut phase and maintains a constant NEE might have a stronger mitigation potential than conventional even-aged forestry.
(Less) - Abstract (Swedish)
- Skogar täcker ca 31% av jordens landyta och lagrar stora mängder kol i biomassa och i marken. I klimatavtalet från Paris 2015 lyfts skogars roll som sänkor och reservoarer av kol fram och undertecknande länder uppmanas att implementera strategier för hållbart skogsbruk som ytterligare förstärker skogars roll som sänkor av växthusgaser. Ett aktivt skogsbruk påverkar klimat och miljö på många olika sätt och det är svårt att avgöra vilka metoder som maximerar klimatnyttan utan att nationella miljömål påverkas negativt. Syftet med de studier som ingår i den här avhandlingen har varit att undersöka korttidseffekter av olika skogsskötselåtgärder på flöden av växthusgaser mellan skogliga ekosystem och atmosfären.
I Sverige är merparten av all... (More) - Skogar täcker ca 31% av jordens landyta och lagrar stora mängder kol i biomassa och i marken. I klimatavtalet från Paris 2015 lyfts skogars roll som sänkor och reservoarer av kol fram och undertecknande länder uppmanas att implementera strategier för hållbart skogsbruk som ytterligare förstärker skogars roll som sänkor av växthusgaser. Ett aktivt skogsbruk påverkar klimat och miljö på många olika sätt och det är svårt att avgöra vilka metoder som maximerar klimatnyttan utan att nationella miljömål påverkas negativt. Syftet med de studier som ingår i den här avhandlingen har varit att undersöka korttidseffekter av olika skogsskötselåtgärder på flöden av växthusgaser mellan skogliga ekosystem och atmosfären.
I Sverige är merparten av all skog på beståndsnivå likåldriga och brukas genom s.k. trakthyggesbruk, vilket resulterar i kalhyggen. I syfte att undersöka klimatnyttan av alternativa brukningssätt simulerade vi ett s.k. kontinuitetsskogsbruk genom att gallra en slutavverkningsmogen barrskog i mellersta Sverige. Under försöket som pågick 2007-2016 mätte vi flöden av koldioxid (CO2) och metan (CH4) från skogsmarken med kyvetter samt flöden av CO2 mellan skog och atmosfär på beståndsnivå med s.k. eddy-kovariansmetodik. Vi etablerade fyra mätytor på ett intilligande nytt kalhygge. På två av ytorna skördades även stubbarna i syfte att producera bioenergi. Under 2010-2013 mätte vi flöden av CO2, CH4 och N2O (lustgas) på alla fyra ytor med s.k. flux-gradientteknik och kyvetter (CH4, på två av ytorna).
De olika skogsbruksåtgärderna hade tydliga effekter på flödena av växthusgaser. Efter gallring och slutavverkning ökade markfukthalten samtidigt som grundvatten-nivån steg, vilket resulterade i ett minskat upptag av CH4 i det gallrade beståndet och i att både slutavverkade och stubbskördade ytor övergick till att vara nettokällor av CH4. Både slutavverkade och stubbskördade ytor var stora källor av växthusgaser men emissionerna dominerades av CO2. Stubbskörden hade signifikanta effekter på flöden av CO2 och N2O på de torrare försöksytorna och resultaten antyder en reducerad klimatnytta av att använda stubbar för bioenergiproduktion. Höga N2O-emissioner från en torr stubbskördad yta var särskilt oroande. Gallringsförsöket visade på relativt tydliga effekter på nettoutbytet av CO2 under växtsäsongerna på grund av att upptaget av CO2 under dagtid minskade mer än vad ekosystemrespirationen gjorde. Effekterna var fortfarande märkbara åtta år efter gallringen. På årsbasis hade den minskade ekosystemrespirationen större genomslag, vilket ledde till att nettoutbytet av CO2 efter gallringen låg på ungefär samma nivå som före gallringen. Ett ökat upptag av CO2 av markevegationen efter gallringen bidrog sannolikt också till att gallringseffekten blev liten.
Sammantaget visar resultaten i den här avhandlingen på vikten av att ta hänsyn till alla växthusgaser när man utvärderar klimatnyttan av olika skogsbruksåtgärder. Resultaten antyder också att ett skogsbrukssystem som undviker stora emissioner av växthusgaser under kalhyggesfasen och som upprätthåller ett högt nettoupptag av CO2 kan ha betydligt högre klimatnytta än konventionellt trakthyggesbruk.
(Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
https://lup.lub.lu.se/record/a1f09eab-06df-4a2f-9005-5bf643c1d1d5
- author
- Vestin, Patrik
LU
- supervisor
- opponent
-
- Associate Professor Noormets, Asko, Texas A&M University, College Station, TX, USA
- organization
- alternative title
- Effekter av skogsbruk på flöden av växthusgaser i en boreal skog
- publishing date
- 2017-08
- type
- Thesis
- publication status
- published
- subject
- keywords
- Forest management, Greenhouse gas fluxes, Clear-cutting, Thinning, Stump harvesting, Selective cutting, Eddy-covariance, Flux-gradient, Greenhouse gas budgets, CO2, CH4, N2O
- pages
- 199 pages
- publisher
- Lund University, Faculty of Science, Department of Physical Geography and Ecosystem Science
- defense location
- Lecture hall “Pangea”, Geocentrum II, Sölvegatan 12, Lund
- defense date
- 2017-09-22 10:15:00
- ISBN
- 978-91-85793-83-9
- 978-91-85793-84-6
- language
- English
- LU publication?
- yes
- id
- a1f09eab-06df-4a2f-9005-5bf643c1d1d5
- date added to LUP
- 2017-08-28 16:07:03
- date last changed
- 2021-04-28 08:51:03
@phdthesis{a1f09eab-06df-4a2f-9005-5bf643c1d1d5,
abstract = {{Forest ecosystems cover 31% of the terrestrial land area and store large amounts of carbon in biomass and in soils. The 2015 Paris Agreement recognizes the importance of sinks and reservoirs of greenhouse gases (GHGs) in forests and the importance of enhancing them through sustainable forest management policies. Managing forests for climate mitigation purposes is, however, complex since management affects the climate and the environment in many different ways. The aim of the work presented in this thesis was to investigate and quantify short-term effects of forest management on GHG fluxes in a boreal forest in central Sweden.<br/>We simulated a selective cutting system through thinning of a mature mixed Norway spruce and Scots pine forest. During 2007-2016, we measured fluxes of carbon dioxide (CO2) and methane (CH4) with chambers and we used the eddy-covariance (EC) technique to measure CO2 fluxes at the stand level. We established four experimental plots at a soil scarified clear-cut. Tree stumps were removed from two of these plots. During 2010-2013, we measured fluxes of CO2, CH4 and N2O (nitrous oxide) with the flux-gradient technique and with chambers (CH4) at these plots.<br/>Forest management had clear effects on GHG fluxes. Increased soil moisture and a raised groundwater level after thinning reduced soil CH4 uptake in the thinned stand and caused the clear-cut and stump harvested plots to switch to net sources of CH4. Clear-cutting and stump harvesting resulted in large emissions of GHGs, but fluxes were dominated by CO2. The degree of wetness and vegetation development had an effect on the relative contribution of the different GHGs. Stump harvesting had significant effects on CO2 and N2O fluxes at dry plots and the results suggest reduced mitigation potential of using stumps for bioenergy production. Substantial N2O emissions at the dry stump harvested plot was an additional cause for concern. Thinning had an effect on both daytime uptake of CO2 and ecosystem respiration, which resulted in reduced net CO2 uptake at the stand level during growing seasons. On an annual basis, decreased ecosystem respiration and increased CO2 uptake by ground vegetation had larger impacts and the net effect on annual NEE was minor.<br/>Combined, the results presented in this thesis highlight the importance of accounting for all greenhouse gases when considering short-term effects of forest management on the climate. The results indicate that a silvicultural system that avoids net emissions of GHGs during a clear-cut phase and maintains a constant NEE might have a stronger mitigation potential than conventional even-aged forestry.<br/>}},
author = {{Vestin, Patrik}},
isbn = {{978-91-85793-83-9}},
keywords = {{Forest management; Greenhouse gas fluxes; Clear-cutting; Thinning; Stump harvesting; Selective cutting; Eddy-covariance; Flux-gradient; Greenhouse gas budgets; CO2; CH4; N2O}},
language = {{eng}},
publisher = {{Lund University, Faculty of Science, Department of Physical Geography and Ecosystem Science}},
school = {{Lund University}},
title = {{Effects of forest management on greenhouse gas fluxes in a boreal forest}},
url = {{https://lup.lub.lu.se/search/files/30228382/Patrik_Vestin_kappa.pdf}},
year = {{2017}},
}