Soil carbon modelling as a tool for carbon balance studies in forestry

Soils represent a remarkable stock of carbon, and forest soils are estimated to hold half of the global stock of soil carbon. Topical concern about the effects of climate change and forest management on soil carbon as well as practical reporting requirements set by climate conventions have created a need to assess soil carbon stock changes reliably and transparently. The large spatial variability of soil carbon commensurate with relatively slow changes in stocks hinders the assessment of soil carbon stocks and their changes by direct measurements. Models therefore widely serve to estimate carbon stocks and stock changes in soils. This dissertation aimed to develop the soil carbon model YASSO for upland forest soils. The model was aimed to take into account the most important processes controlling the decomposition in soils, yet remain simple enough to ensure its practical applicability in different applications. The model structure and assumptions were presented and the model parameters were defined with empirical measurements. The model was evaluated by studying the sensitivities of the model results to parameter values, by estimating the precision of the results with an uncertainty analysis, and by assessing the accuracy of the model by comparing the predictions against measured data and to the results of an alternative model. The model was applied to study the effects of intensified biomass extraction on the forest carbon balance and to estimate the effects of soil carbon deficit on net greenhouse gas emissions of energy use of forest residues. The model was also applied in an inventory based method to assess the national scale forest carbon balance for Finland’s forests from 1922 to 2004. YASSO managed to describe sufficiently the effects of both the variable litter and climatic conditions on decomposition. When combined with the stand models or other systems providing litter information, the dynamic approach of the model proved to be powerful for estimating changes in soil carbon stocks on different scales. The climate dependency of the model, the effects of nitrogen on decomposition and forest growth as well as the effects of soil texture on soil carbon stock dynamics are areas for development when considering the applicability of the model to different research questions, different land use types and wider geographic regions. Intensified biomass extraction affects soil carbon stocks, and these changes in stocks should be taken into account when considering the net effects of forest residue utilisation as energy. On a national scale, soil carbon stocks play an important role in forest carbon balances.

Metsien maaperän hiilivarastolla on merkittävä rooli metsien hiilitaseessa. Hakkuutähteiden keruu hakkuiden jälkeen vähentää puustosta maaperään siirtyvää hiilen määrää ja tämä hiilivarastomuutos on merkittävä verrattuna muihin hakkuutähteiden energiakäytön aiheuttamiin kasvihuonekaasupäästöihin. Metsien maaperä on merkittävä hiilen varasto. Ilmastonmuutos ja erilaiset metsänkäsittelyt vaikuttavat paitsi puuston biomassan myös maaperän hiilivarastoon. Näitä vaikutuksia ei kuitenkaan vielä täysin tunneta. Kansainvälinen ilmastosopimus kuitenkin velvoittaa sopijamaat raportoimaan myös maaperän hiilivarastossa tapahtuvat muutokset. Maaperän hiilivaraston muutosten arviointi mittaamalla on hyvin vaikeaa ja työlästä, koska varaston spatiaalinen vaihtelu on suurta verrattuna ajallisiin muutoksiin. Tämän vuoksi hiilivaraston ja sen muutosten arvioinnissa käytetään usein malleja. Tässä väitöskirjassa kehitettiin ja testattiin kivennäismaiden metsien orgaanisen aineen hajoamista ja maaperän hiilivaraston dynamiikkaa kuvaava YASSO-malli. Mallilla pyrittiin kuvaamaan tärkeimmät hiilivaraston dynamiikkaan vaikuttavat tekijät, mutta silti pitämään malli niin yksinkertaisena, että sen toimintaperiaatteiden ymmärtäminen ja käyttö sovelluksissa olisi helppoa. Mallin toimintaa arvioitiin tarkastelemalla mallitulosten herkkyyttä mallin parametriarvojen muutoksille, tutkimalla mallitulosten tarkkuutta epävarmuusanalyysin avulla ja vertaamalla mallituloksia mitattuihin havaintoihin ja toisen maamallin antamiin tuloksiin. Epävarmuus- ja herkkyysanalyysien mukaan YASSO-mallin hiilivarastoarviot ovat epävarmoja. Hiilivarastomuutosten arviot sen sijaan ovat verrattain tarkkoja. Testit mitattuja aineistoja vastaan vastaan osoittivat, että malli onnistuu kohtalaisesti kuvaamaan erilaisten karikkeiden hajoamisen erilaisissa ilmasto-olosuhteissa ja maaperän kokonaishiilivaraston erilaisissa suomalaisissa metsiköissä. Mallilla tutkittiin hakkuutähteiden talteenoton ja energiakäytön vaikutusta maaperän hiilivarastoon ja maaperän roolia Suomen metsien hiilitaseessa. Mallin dynaaminen lähestymistapa osoittautui tehokkaaksi sovelluksissa, joissa se yhdistettiin metsikkömalliin tai inventointitietoihin ja biomassa- ja karikemalleihin.