Regional Nutrient Budgets in Forest Soils in a Policy Perspective

Abstract

Sweden's forests are one of its most important natural resources, as well as being important from ecological and social perspectives. Nutrient sustainability is essential to maintain the production capacity and reduce the effects of acidification and eutrophication. Nutrient sustainability is strongly affected by anthropogenic influences such as air pollution and forestry practices. Regional assessments of the nutrient sustainability with different deposition and harvesting scenarios are thus required in policy-making. This thesis deals with the nutrient sustainability regarding nitrogen, calcium, magnesium and potassium on a regional scale in Swedish forests, and the potential effects of forests on carbon sequestration. It includes method development of regional weathering rate modelling, regional budget calculations for Sweden, and a discussion of the results in a policy context.



Estimates of base cation budgets showed that the pools of exchangeable base cations are decreasing and that the stores are being depleted at rates that could lead to negative effects within the period of one forest rotation. The whole-tree harvesting scenario indicated substantially higher base cation losses than the stem harvesting scenario in spruce forests, while the losses were significantly lower in pine forests. The nitrogen budget calculations indicated a risk of nitrogen leaching in southern Sweden and increased nitrogen shortage in northern Sweden. Consequently, policies affecting the supply of nitrogen must take into account regional differences if they are to be effective. Calculations showed that carbon sequestration in Swedish forest soils is not an effective way of decreasing national net carbon dioxide emissions, since the long-term capacity is low and involves the accumulation of nitrogen, increasing the risk of acidification and eutrophication of aquatic and terrestrial ecosystems. Whole-tree harvesting, combined with the use of branches, tops and needles as biofuel to replace fossil fuels, would substantially decrease the present carbon dioxide emissions from fossil fuels.



The results highlight several conflicts, not only between production goals and environmental objectives, but also between environmental objectives regarding acidification, eutrophication and emissions of greenhouse gases. The methods of calculating nutrient and carbon budgets are considered suitable for decision support in policy-making, but should preferably be combined with other types of methods, for example, dynamic modelling.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Skogen är en av Sveriges mest betydelsefulla naturresurser. Utöver det ekonomiska värdet är skogen även viktig ur ett ekologiskt, socialt och kulturellt perspektiv. För att uppnå ett långsiktigt uthålligt skogsbruk måste alla dessa aspekter beaktas. Uthålliga näringsbalanser i den brukade skogsmarken är nödvändiga för att bevara produktionsförmågan samt minska risken för försurning och övergödning av terrestra och akvatiska ekosystem. De är därmed centrala i de svenska miljökvalitetsmålen "Levande skogar", "Bara naturlig försurning" och "Ingen övergödning". Möjligheterna att uppnå målet "Begränsad klimatpåverkan" påverkas av dessa mål på grund av den nära kopplingen mellan kol och kväve i organiskt material.



Skogsmarkens näringsbalanser påverkas starkt av antropogena faktorer såsom nedfall av svavel och kväve samt skogsbruk. Regional kartläggning av näringsbalanser för olika depositions- och skogsbruksscenarier behövs som beslutsunderlag vid utformning av rekommendationer inom skogsbruket samt som underlag vid förhandlingar kring behov av ytterligare utsläppsminskningar. Denna avhandling beskriver regionala näringsbalanser för kväve och baskatjoner samt kolinbindning i skogsmark i relation till luftföroreningar och skogsbruk.



Massbalanser för baskatjonerna kalcium, magnesium och kalium beräknades i regional skala. Vittringshastigheten modellerades i hög upplösning baserat på över 25 000 lokaler över hela Sverige där markgeokemin undersökts. Resultaten av balansberäkningarna visade på nettoförluster av baskatjoner i både gran- och tallskog, även om skörden begränsades till stamuttag, förutom för kalium i tallskog där näringsbalanserna var i huvudsak positiva. Resultaten tyder på att förrådet av utbytbara baskatjoner i marken minskar med en hastighet som kan innebära negativa effekter i form av försämrad trädvitalitet eller sämre trädtillväxt samt försurad avrinning redan inom en skogsgeneration. Utlakningen, som i viss mån är påverkad av nedfall av försurande luftföroreningar, var den dominerade termen i balansberäkningarna för kalcium och magnesium och var även av stor betydelse för kalium. Helträdsuttnyttjande innebar påtagligt ökade förluster och situationen var betydligt värre i granskog än i tallskog, vilket bör tas hänsyn till vid utformning av rekommendationer i skogsbruket.



Balansberäkningar för kväve visade att kvävefrågan måste hanteras olika i skilda delar av landet, på grund av stora geografiska skillnader i kvävetillgång. I södra Sverige finns det en klar risk för ökad utlakning i växande skogar i en helt annan omfattning än nu, även om depositionen minskar enligt överenskommelserna i Göteborgsprotokollet, det internationella avtalet från 1999. I centrala och norra Sverige finns det däremot risk för ökad kvävebrist i den brukade skogen. Beräkningar visade att kolinlagring i skogsmark inte är ett effektivt sätt att balansera emissionerna av koldioxid. Den långsiktiga kapaciteten är låg och kolinlagring i marken innebär även att kväve lagras in i marken, vilket ökar risken för kväveutlakning och övergödning samt försurning.



Resultaten belyser flera målkonflikter beträffande näringstillgång i brukad skogsmark. Kvävegödsling kan öka produktionen på kort sikt, vilket även ökar kolinbindningen i systemet, men ökar risken för kväveutlakning, övergödning och försurning. Den framtida utvecklingen av kvävefrågan beror på utvecklingen vad gäller emissioner och skogsbruksåtgärder. Kvävebalansberäkningarna i denna studie kan bidra till beslutsunderlaget för utformning av rekommendationer och allmänna råd.



Uttag av grenar och toppar (GROT) utöver stamuttaget minskar risken för negativa effekter orsakade av kväveöverskott. Om GROT används som biobränsle, som ersättning för fossila bränslen, kan de nuvarande svenska koldioxidutsläppen från fossila bränslen minskas avsevärt. I områden med låg nuvarande och historisk kvävedeposition kan dock helträdsutnyttjande leda till ökat kväveunderskott och behov av kvävegödsling för att upprätthålla produktionsförmågan. Beräkningarna av baskatjonbalanser visade att kompensationsgödsling av baskatjoner kan vara nödvändig över hela Sverige för att undvika stora nettoförluster, speciellt vid helträdsuttag i granskog.



Metoderna för beräkning av näringsbalanser och kolupplagring kan användas som en del av beslutsunderlaget för att ta fram rekommendationer i skogsbruket. Samverkan med avnämare är viktig vid utformning av scenarier och tolkning av beräkningsresultat. Databasen och scenarioverktyget som tagits fram gör det enkelt att uppdatera data om ny information blir tillgänglig, samt utföra beräkningar med nya scenarier. Massbalansberäkningar för näringsämnen kan med fördel kompletteras med dynamiska beräkningar för att belysa tidsaspekten på förändringar i miljötillståndet.

• author: Akselsson, Cecilia
• supervisor: Harald Sverdrup
• opponent: Professor Forsius, Martin, Finnish Environment Institute, Finland
• organization: Division of Chemical Engineering
• publishing date: 2005
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Chemical Engineering
• keywords: pedology, cartography, climatology, Fysisk geografi, geomorfologi, marklära, kartografi, klimatologi, geomorphology, Physical geography, Miljökemi, Environmental chemistry, skogsteknik, skogsbruk, Skogsvetenskap, forestry technology, forestry, Silviculture, Näringslära, Nutrition, Växtekologi, policy-making, Plant ecology, regional scale, deposition, eutrophication, carbon sequestration, acidification, Nutrient budget
• pages: 212 pages
• defense location: Stora hörsalen, Ingvar Kamprad Designcentrum (IKDC), Sölvegatan 26, Lunds Tekniska Högskola
• defense date: 2005-05-04 13:15:00
• ISBN: 91-7422-076-4
• language: English
• LU publication?: yes
• id: efed4a14-318e-4240-b7c2-9dd5dacbb6c5 (old id 544693)
• date added to LUP: 2016-04-01 16:17:25
• date last changed: 2023-04-18 19:38:38