Impact of clearcutting on forest carbon fluxes

Abstract

Levels of carbon dioxide (CO2) and other greenhouse gases (GHG) are rising, thereby acceler-ating global warming and related effects on the environment. Forests are an important ecosystem and can act as carbon sinks, providing a buffer against these effects. However, disturbances such as clearcutting can turn the forests into carbon sources. In this project, the effects of clearcutting on the carbon fluxes measured for a forest in Sweden were investigated, based on flux measurements from the Norunda ICOS station and flux footprint estimation. Models to simulate the Norunda forest in a “full forest” scenario were developed, estimating what fluxes would have looked like if the forest had not been clearcut. Empirical models for Gross Primary Production (GPP) and artifi-cial neural network (ANN) models for GPP, Ecosystem Respiration (RECO) and Net Ecosystem Exchange (NEE) were assessed, using meteorological parameters as predictors. The ANN models performed best at R2 between 0.91 and 0.94 and RMSE of 1.73 (GPP), 0.77 (RECO) and 1.54 (NEE). The models were applied to both partial and complete clearcut scenarios to understand the difference between measured and modelled GPP, RECO or NEE. Differences in all fluxes were detected from before to after clearcut, with a strong hourly pattern for GPP and NEE. The net effect was an overall increase in CO2 emissions (reduction in uptake). For the partially clearcut for-est and for RECO in particular, patterns were less strong and further studies should be conducted to confirm these effects. Overall the project objectives, to understand how the CO2 fluxes change with a clearcut at local scale with high resolution depending on the vegetation type distribution, and to derive ANN models able to predict the carbon fluxes for the Norunda forest in a non-clearcut scenario, were met.

Popular Abstract (Swedish)

Sveriges skogar är viktiga för klimatet!
I Sverige är kalhuggning med efterföljande återplantering den vanligaste metoden för att bruka skog (så kallat rotationsskogsbruk). Med en hög andel skog som är brukad är det viktigt att förstå vilken påverkan på klimatet det har. I denna studie visas tydligt att utsläppen av koldioxid ökar när skogen huggs ner, vilket bidrar till den globala uppvärmningen.
När skog växer tar träden upp koldioxid via fotosyntes. Skogar bidrar därför på ett viktigt sätt med att binda kol och minska koldioxiden i atmosfären, vilket har en positiv effekt för klimatet. Huggs skogen ner, så slutar den att ta upp koldioxid. När nya träd planteras så börjar skogen återi-gen ta upp koldioxid, men många studier visar att det kan ta lång tid innan koldioxidupptaget har ökat till den tidigare nivån.
I den här studien undersöktes en skog i mellersta Sverige där det finns mätningar av växthus-gaser både flera år före, under tiden och efter att skogen kalhuggits. Just att det fanns mätningar av koldioxid från skogen under lång tid gav en unik möjlighet att se hur utsläppet (eller upptaget) av koldioxid påverkades av att skogen huggits ner. Resultaten visar tydligt att nettoutsläppen av koldi-oxid ökade då skogen höggs ner, främst på grund av att de borttagna träden inte längre tog upp koldioxid. Resultatet syns tydligare under dygnets ljusa timmar, när fotosyntesen är aktiv, än under natten då det mest är andningen som påverkar koldioxidutsläppen. Det stärker slutsatsen att proces-serna påverkas så som vi förväntar oss.
Resultaten togs fram genom att skogen först modellerades innan den kalhöggs och sedan si-mulerades hur den skulle ha tagit upp koldioxid om den inte huggits ner. På så sätt kunde skillnaden mot det faktiskt uppmätta koldioxidutbytet efter kalhuggning jämföras mot en situation där skogen inte hade huggits ner. Att koldioxidupptaget minskar när en skog huggs ner är vedertaget, men i det här projektet användes ett detaljerat tillvägagångssätt för att ta fram hur det såg ut i olika stadier av kalhuggningen för just denna skog med hjälp av den stora mängd data som samlats under många år. Det har möjliggjort insikter omkring hur vegetationen påverkar koldioxidutsläppen i ett lokalt per-spektiv.
Det finns förstås andra faktorer än de rena koldioxidutsläppen eller -upptagen att ta i beaktning när man tittar på den totala klimatnyttan av skog. Men icke desto mindre är det en viktig del i puss-let att förstå. Ju mer kunskap vi har om hur skogen reagerar på kalhuggning, ju mer informerade beslut kan fattas om hur skogen ska brukas.

• author: Liljeberg, Cecilia
• supervisor: Natascha Kljun
• organization: Studies in Environmental Science
• course: MVEM45 20242
• year: 2025
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Earth and Environmental Sciences
• keywords: Carbon fluxes, NEE, Clearcutting, Forest, Machine learning
• language: English
• id: 9195948
• date added to LUP: 2025-06-25 11:11:19
• date last changed: 2025-06-25 11:11:19