Modelling effects of climate change and forestry on weathering rates and base cation cycling in forest soils

Abstract

Base cations are important in forest soils as nutrients for vegetation and protection against soil acidification. Today, base cations have been lost from soils through acidification and forest harvesting. With low levels in soils, temporary situations of deficiency could occur. One of the largest inputs of base cations to soils is minerals weathering, which makes it an important process. It is, however, hard to measure. By using process-based models, weathering rates can be calculated and used in estimates of the sustainability of forestry with regards to base cation stores. In a changing environment, dynamic process-based models can give important insights about changes in weathering and base cation cycling.
In this thesis, the two process-based models, PROFILE and ForSAFE, have been used to describe the effects of a changing climate, acidification and intensified forestry on weathering and base cation cycling. Based on the same weathering process descriptions, PROFILE is a simpler steady-state model, while ForSAFE is a more complex dynamic model with feedback, for example between vegetation and soil chemistry. These results contribute to the existing knowledge about sustainable forestry and add new knowledge about the seasonal effects of weathering.
The studies show that weathering rates modelled using PROFILE and long-term averages from ForSAFE are approximately the same size, if soil-moisture levels are equal. However, ForSAFE studies can provide results with high temporal resolution. Depending on research question and data availability, both models can be useful. ForSAFE can increase understanding of processes and dynamics in a changing environment at well-investigated sites. PROFILE can be used for areal upscaling and to assess long-term base cation sustainability of forestry.
ForSAFE results show that weathering rates have a strong seasonal dynamic, with low winter rates and high and highly variable summer rates, depending on temperature and soil moisture. Weathering increases temporarily after clear-cutting, as both concentrations of weathering products in the soil water and the soil moisture levels are affected. Removal of branches and tree-tops, in addition to stems, has only a small effect on weathering, much smaller than the loss of base cations through the harvesting.
Climate change increases weathering in the Swedish climate. In southern Sweden, rates increase throughout the year, though most in spring and summer. Recurrent low soil moisture during summers already has an inhibiting effect on weathering. This is projected to continue. In northern Sweden, winter temperatures will still mostly be below zero, and weathering rates will only increase in the warmer seasons. The increasing weathering in spring might become increasingly important for vegetation. Vegetation period lengthens in a warming climate and dry summers (especially in the south) might push growth and nutrient uptake to earlier in the year.
PROFILE-modelled weathering, with harvest removal of base cations, was used to calculate exceedance of critical biomass harvesting. This, together with acidification status of the soil, was used to assess if whole-tree harvesting would be detrimental to the acidification situation of the soils. Results show that soils generally are more at risk in southern Sweden, with a couple of exceptions where high weathering provides enough base cations.
These studies confirm that soil moisture is one of the bigger uncertainties in weathering calculations and an important factor in modelling future biomass growth. Soil moisture is not measured at the modelled sites. Future studies would be needed, to measure soil moisture and compare it with ForSAFE-modelled soil moisture to reduce uncertainties related to soil moisture in PROFILE and ForSAFE. For ForSAFE, this is needed in areas with flat surroundings, where runoff is not as efficient as ForSAFE models it to be. For PROFILE, it is most relevant in sites with differing textures in different soil layers.

Abstract (Swedish)

Kemisk vittring kallas processen när mineralkorn löses upp och sönderdelas i molekyler eller atomer. Det är en viktig process, bland annat för att den frigör ämnen som skyddar marken från försurning och som fungerar som näringsämnen för växter. För de så kallade baskatjonerna kalium, kalcium, magnesium och natrium är vittringen i marken bland de största källorna. Framför allt de tre förstnämnda baskatjonerna är viktiga näringsämnen för växter och baskatjoner skyddar också marken från markförsurning. Svensk berggrund, och därmed svenskt jordtäcke, innehåller mest kiselrika långsamvittrade mineral, med ganska låga halter av baskatjoner. Det kan därför finnas ganska låga halter av tillgängliga baskatjoner i marken, särskilt i områden som har utsatts för försurning eller där skogen är mycket produktiv. Produktiv skog tar upp mycket baskatjoner, som förs bort från skogen vid skörd. Södra Sverige, särskilt sydvästra delen, är oftast både mycket produktiv och har varit utsatt för försurning.
Vittringshastigheten varierar mellan olika mineral och beroende på omgivning, framför allt temperatur och markfuktighet. I svenskt klimat är den vanligen mycket högre på sommaren än på vintern. Andra faktorer som påverkar är kornstorlek (med högre vittring i finkorniga jordar med hög sammanlagd mineralyta), samt tillgång på de ämnen som mineralkornen reagerar med under vittringsprocesserna: vattnet i sig, koldioxid, vätejoner, hydroxidjoner (fast de sistnämnda finns bara i väldigt låga koncentrationer i jordar under svenska förhållanden) och organiska syror.
Vittring är svårt att mäta utanför labbmiljö och därför finns i stället olika metoder och modeller för att beräkna vittringen. I den här studien har två modeller använts, som beräknar vittringen utifrån de kemiska reaktioner som bidrar till vittringen. Den ena, PROFILE, behöver mindre data och ger ett medelvärde av vittringen för en viss modellerad mark, utan hänsyn till variation i tid. Den andra, ForSAFE, använder mer data och inkluderar fler processer, såsom hur vatten från nederbörden infiltreras i marken och fuktar den, trädens tillväxt och nedbrytning av trädens förna. Den visar dessutom utvecklingen i tid av vittringen.
I avhandlingens första artikel jämförs vittringsresultat för de två modellerna, för två skogsytor i mellanskåne, Västra Torup och Hissmossa. I denna artikel visas också, med hjälp av ForSAFE-modellen, hur vittringen förändras av en framtida klimatförändring, modellerad efter ett klimatscenario från IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change), hur den påverkas av ett mer eller mindre intensivt skogsbruk och hur den påverkades av försurningen som ägde rum under andra halvan av 1900-talet. Studien visar att PROFILE och ForSAFE ger liknande medelvittring, om nivåerna av markfuktighet är lika mellan modellerna. PROFILE behöver få markfuktighetsnivån som indata, medan ForSAFE modellerar den. Enligt modellen kan vittringen förväntas öka i ett framtida varmare klimat, särskilt om marken inte blir försurad och därför får höga halter av löst aluminium som minskar vittringen.
I den andra artikeln används ForSAFE-modellen på sju ytor, spridda i södra och norra Sverige, med ett klimatscenario från IPCC och ett scenario där det förutom klimatförändringen dessutom inträffar svår sommartorka fem år i rad. Resultaten visar att trots att temperaturen skiljer mycket från södra till norra Sverige och vittringen är så temperaturberoende, så finns det ingen gradient i vittring från söder till norr. Det beror på att skillnader i markens kornstorleksfördelning och vilka mineral som dominerar har större betydelse än temperaturen. Även i den här artikeln dras slutsatsen att vittringen ökar när temperaturen ökar i det framtida klimatscenariet, även om sommartorka tillfälligt kan göra att sommarvittringshastigheten blir lika låg som den brukar vara under vintrarna. I södra Sverige ökar vittringen året runt när temperaturen ökar, om än mest under vår och sommar. I norra Sverige ökar temperaturen mycket under vintern, men det har nästan ingen effekt på vittringen, eftersom temperaturen ändå oftast kommer att vara under noll och då är vittringen mycket låg. Därför sker ökningen i norra Sverige under de varma årstiderna. I torkscenariet är vittringen på helårsbasis bara 78 % av vad den skulle varit utan torkan, i den mest påverkade ytan.
Den tredje artikeln undersöker effekten av biobränsleuttag från skogen. Skillnaden i baskatjonhalter i markvatten jämförs för skogsavverkning med uttag av grenar och toppar till skogsbränsle (så kallat helträdsuttag) och för avverkning med bara stamskörd (där grenar och toppar får ligga kvar i skogen). ForSAFE-modellen används på sex av de ytor som undersöktes i artikel två. De första trettio åren efter avverkning (oavsett om grenar och toppar tas ut eller ej) är koncentrationerna av baskatjoner högre än i den ej avverkade skogen, eftersom kvarlämnat organiskt material bryts ner och frisläpper baskatjoner successivt, samtidigt som det inte finns några stora träd som tar upp stora mängder baskatjoner längre. I den helträdsavverkade skogen är baskatjonhalterna dock inte lika förhöjda som i skogen med stamuttag. Halterna av kväve, som är det viktigaste växtnäringsämnet, är också mycket lägre i markvattnet i den helträdsavverkade skogen och därför växer inte den nya planterade skogen lika snabbt, särskilt inte i de nordliga ytorna där det finns mindre kväve. Skillnaderna blir, enligt modellen, mindre med tiden och efter trettio år är koncentrationerna av baskatjoner och kväve i marken lika oavsett om grenar och toppar tas u teller ej. Träden planterade på ytorna med helträdsuttag växer också i kapp, trots att de i början växer något långsammare än träden planterade på ytor med bara stamskörd. Dessa resultat stämmer med resultaten från långliggande försök i Sverige, men skiljer sig från tidigare modelleringar med enklare dynamiska modeller. Trots att skillnaderna minskar i markvattnet och i trädtillväxten, kan det ändå på sikt finnas risk för brist på baskatjoner i helträdsskördade skogar, eftersom mycket baskatjoner har förts bort vid helträdsskörden och det inte kompenseras av ökande vittring.
I den fjärde artikeln används modellen PROFILE på 26 ytor, spridda i Sverige. De modellerade mängderna baskatjoner från vittringen jämförs med mängderna som tas ut med biomassa vid helträdsskörd. Markens försurningsstatus i ytan räknas också in. Denna modellering kan användas för att beräkna hur stort skördeuttag som är uthålligt, ur närings- och försurningssynpunkt. Resultaten visar att med några få undantag är ytor i södra Sverige mest försurade, samtidigt som de också har högst upptag av baskatjoner till träden och högst uttag vid helträdsskörd och därför är mest känsliga för uttag. Vittringen är däremot mer jämn över landet och räcker oftast inte för att få ett hållbart uttag på en högproduktiv yta i södra Sverige.
PROFILE och ForSAFE beräknar ungefär lika stor vittring och kan båda användas för att undersöka skogsbrukets uthållighet när det gäller baskatjoner och försurning. Skillnader i indatabehov och dynamik gör att de har lite olika användningsområden. PROFILE går att använda på ytor där man inte har lika mycket indata och kan med fördel användas i beräkningar med god geografisk täckning, där ingen tidsupplösning behövs, till exempel beräkningar av kritisk belastning av försurande ämnen eller, som i denna studie, kritiskt biomassauttag. ForSAFE ger mer detaljerade resultat, som kan användas för att öka processförståelsen och dynamiken i klimatförändringens effekter på vittring, markens innehåll av baskatjoner och hur det svarar mot dynamiken i trädens näringsupptag.

• author: Kronnäs, Veronika
• supervisor: Cecilia Akselsson; Salim Belyazid
• opponent: Adjunct professor Starr, Mike, University of Helsinki, Finland
• organization: Dept of Physical Geography and Ecosystem Science; BECC: Biodiversity and Ecosystem services in a Changing Climate
• publishing date: 2022-04-27
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Physical Geography; Environmental Sciences
• keywords: weathering, forest, biogeochemistry, Dynamic Modelling, ForSAFE
• pages: 160 pages
• defense location: Pangea auditorium, Department of Physical Geography and Ecosystem Science, Geocentrum II, Sölvegatan 12, Lund. Join via Zoom: https://lu-se.zoom.us/j/65180907513?pwd=alBHL2J4SjdTNyt5aEFYbk5WVTVXdz09 passcode: 850910
• defense date: 2022-05-23 13:00:00
• ISBN: 978-91-89187-14-6
• ISBN: 978-91-89187-13-9
• project: Modelling effect of climate change and forestry on weathering rates in forest soils
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 73d93d6a-7607-4b20-adc1-8e83756ae912
• date added to LUP: 2022-04-26 13:20:24
• date last changed: 2022-04-28 10:53:31