Bara naturlig försurning. Bilaga 9. Underlagsrapport: Målkonflikt klimatmål och skogsmarksförsurning

Transkript

1 Bara naturlig försurning Bilaga 9 Underlagsrapport: Målkonflikt klimatmål och skogsmarksförsurning Sofie Hellsten Cecilia Akselsson Salim Belyazid IVL Svenska Miljöinstitutet AB Slutrapport

2 Bakgrund Förbränning av fossila bränslen leder till utsläpp av växthusgaser, vilket bidrar till förhöjd växthuseffekt som i sin tur leder till klimatförändringar. En åtgärd för att minska utsläppen av växthusgaser är att öka användandet av skogsbränslen och på så sätt minska användandet av fossila bränslen, men en nackdel är att viktiga näringsämnen i form av baskatjoner och fosfor går förlorade från skogsmarken vid uttag av skogsbränslen, vilket även kan innebära minskad buffringsförmåga mot försurning. Att förlita sig på skogsekosystemen för att minska de totala växthusgasutsläppen i Sverige kan därmed innebära en förflyttning av delar av energiproduktionens miljöpåverkan från atmosfären till skogen. Syfte Syftet med studien är att utvärdera effekten av användandet av skogen för energiproduktion på (1) koldioxidutsläpp och (2) markförsurning. Metod Befintliga modeller har använts för att utvärdera miljöeffekter i fråga om markförsurning och eventuella miljövinster i minskade koldioxidutsläpp baserade på olika energiscenarier: Modell för beräkning av överskottsaciditet för bedömning av försurningspåverkan i regional skala Dynamisk modell, ForSAFE-VEG, för simulering av markkemi på lokal nivå Modell för beräkning av skogsbränslepotential i Sveriges skogar, motsvarande energipotential och möjlig CO 2 -reduktion på regional nivå Energiscenarier GROT-uttaget i Sverige är svårt att bedöma eftersom det inte finns någon tillförlitlig statistik då anmält och verkligt GROT-uttag inte överensstämmer (Schelin, 2006). I denna studie antas att GROT-uttag för närvarande görs på ha per år, enligt H. Eriksson, Skogsstyrelsen (personlig kommunikation). Utöver grundscenariet, med uttag på ha, har vi även gjort beräkningar för ett scenario där uttag gjorts på en dubbelt så stor yta, ha, på en fyra gånger så stor yta, ha, och på all avverkningsbar gran och tallskog i Sverige ( ha). Koldioxidutsläpp och påverkan på markförsurning utvärderades för fyra skogsbruksscenarier: A) Nuvarande uttag av GROT ( ha per år) B) En fördubbling av nuvarande uttag ( ha per år) C) Ytterligare en fördubbling ( ha per år) D) GROT-uttag på all gran- eller tallskog (avverkningsbar areal) I samtliga scenarier antogs att 75% av grenarna togs ut och att 75% av barren på dessa grenar följde med. Den geografiska fördelningen av GROT-uttaget baserades på det faktiska uttaget som sammanställts i Schelin, (Figur 1) Uttaget av GROT är störst i delar av södra Sverige och mellan-sverige. 2

3 Figur 1. GROT-uttag (%) av den föryngringsavverkade arealen som ett medelvärde för (Källa: Schelin, 2006) Bedömning av försurningen i regional skala - "Överskottaciditet" En bedömning av försurningspåverkan vid stam- och helträdsuttag görs för respektive punkt i Riksskogstaxeringen. Försurningspåverkan beräknas som överskottsaciditet, the excess acidity (EA), som är en enkell aciditetsbalans som beräknas enligt: EA = Dep (S+N+Cl-Ca-Mg-K-Na) + Upptag (Ca+Mg+K+Na) Upptag (N) Vittring (Ca+Mg+K+Na) Beräkningarna gjordes för djupet 50 cm, för att motsvara rotzonen, förutom på lokaler med mindre jorddjup, där beräkningarna gjordes för jorddjupet. Kvävets bidrag till försurningen beror på markens förmåga att ta upp kvävet, och även om skogsmarken idag tar upp nästan allt kväve finns det risk att retentionskapaciteten överskrids framöver. Överskottsaciditet kan därmed beräknats enligt olika scenarier för kvävets bidrag till försurningen. Kvävets bidrag till försurningen I ett kvävebegränsat sytem, där i princip allt kväve som tillförs tas upp och binds in i organiskt material, leder skogstillväxt till markförsurning eftersom träd tar upp mer positiva än negativa joner och H + joner således frigörs. Försurningen blir bestående om biomassan skördas, eftersom detta leder till att baskatjoner försvinner från systemet. De träddelar som förs bort skulle annars ha förmultnat och kompenserat tillväxtens försurande verkan. Uttag av GROT (grenar och toppar) bidrar därför till att öka markförsurningen. Effekten av försurningen beror till stor del på markens vittringskapacitet. Mark med lättvittrande mineraler kan neutralisera mer försurande deposition än mark med långsamt vittrande mineraler. I skogsekosystem med hög kvävebelastning kommer dock markens retentionsförmåga på sikt att överskridas, och kväve kommer att börja läcka. Kväve som kommer i form av HNO 3 och inte tas upp försurar med en H +, till skillnad från om NO 3 - -jonen tas upp och en OH - -jon avges, så att nettoresultatet bli ingen försurning. Kväve som kommer i form av någon 3

4 + förening med NH 4 bär med sig en H + -jon, som avges igen om NH + 4 tas upp, och det blir + därmed ingen nettoförsurning. Om i stället NH 4 -jonen nitrifieras avges två H + och nettoförsurning blir därmed en H +. Sammanfattningsvis leder kvävetillförsel till försurning enbart om/när förmågan hos skogsekosystemet att ta upp kväve överskrids, så att kväve börjar läcka. Kväve som fastläggs i organiskt material (immobilisering) leder inte till försurning, men det utgör en källa för potentiell försurning, eftersom det senare kan mineraliseras, nitrifieras och läcka ut. Effekten på markförsurning av GROT-uttag beror därmed på vilka antaganden man gör vad gäller kvävets försurande effekt. Räknar man med att enbart det kväve som inte tas upp och immobiliseras i nuläget är försurande blir resultatet ett annat än om man antar att ekosystemets förmåga att ta upp kväve kommer att överskridas vid fortsatt relativt högt kvävenedfall. Kväve-scenario 1) Kvävebidrag till försurning (min) I kväve-scenario 1 antas att immobiliseringen i marken har en hög och långsiktig kapacitet och att risken för ökad utlakning av nitrat är liten. Kvävets bidrag till försurning beräknas som den lilla mängd som varken tas upp av träden eller immobiliseras i marken, utan nitrifieras och utlakas som nitrat. I praktiken innebär det att kvävedepositions- och kväveupptagsposterna stryks i överskottsaciditetsformeln, och ersätts av en liten pluspost, dagens uppmätta kväveutlakning. Kväve-scenario 2) Kvävebidrag till försurning (medel) I kväve-scenario 2 antas att att förmågan till immobilisering är begränsad och att risken för utlakning ökar med ökad N-upplagring. Beräkningen har utförts enligt följande: Upplagring N < 2 kg per ha och år: Ingen ökad utlakning utöver den i kveävescenario 1. Upplagring N 2-10 kg per ha och år: 50 % av upplagringen nitrifieras och utlakas (och bidrar till försurning). Upplagring N > 10 kg per ha och år: högst 5 kg N immobiliseras per ha och år, resterande del nitrifieras och utlakas och bidrar till försurning. Kväve-scenario 3) Kvävebidrag till försurning (max) I kväve-scenario 3 antas att den långsiktiga förmågan till immobilisering är noll. Allt kvävenedfall som inte tas upp och senare skördas blir förr eller senare försurande. Detta scenario motsvarar till fullo den ursprungliga överskottsaciditetsformeln. I denna studie användes kväve-scenario 2, som antogs vara det mest realistiska på lång sikt. Bedömning av försurningen i lokal skala - dynamisk modellering Sex ytor valdes ut för att dynamisk modellering av markförsurning, organiskt material i marken och biomassaproduktion med ForSAFE-VEG (Figur 2). Ytorna Högbränna, Blåbärskullen och Timrilt är granbestånd, medan Brattfors, Höka och Söstared är tallbestånd. Två scenarier studerades: 1) bara stamuttag vid avverkning 2) stam och GROTuttag vid avverkning 4

5 Figur 2. De sex skogsytor som ingick i studien valdes ut för att representera olika kvävedepositionsregioner i Sverige. (Depositionsdata från ). Modellkörningarna sträcker sig över perioden för att täcka minst två framtida skogsrotationer. Den modellerade stambiomassan i granytorna är högre än på tallytorna (Figur 3). Figur 3. Modellberäknad biomassa (g/m 2 ) i de sex ytorna. De vertikala linjerna visar avverkningstillfället (skörd). 5

6 Bedömning av CO 2 -reduktion Reduktionen av koldioxidutsläpp för de olika skogsbruksscenarierna beräknades genom att översätta skördad biomassa till energiinnehåll och därefter jämföra med koldioxidutsläpp från den mängd olja (eldningsolja 1) som behövs för att producera samma mängd energi. Effektivt värmevärde för GROT : 19,2 MJ/kg TS (Källa: Sveriges lantbruksuniversitet, avdelningen för kemi och biomassa, Umeå) Koldioxidvärde för Eldningsolja 1: 74,26 kg CO2/GJ (Källa: Inventory Report 2007, Appendix 17) Det finns inga uppgifter tillgängliga på GROT-uttagets fördelning mellan tall och granbestånd, men det är mer troligt att GROT-uttag sker på granbestånd (K. von Arnold, Skogsstyrelsen, personlig kommunikation). I beräkningen här presenteras resultat både för tall- och granbestånd. Resultat och diskussion Bedömning av försurningen i regional skala - "Överskottaciditet" Uttag av skogsbränsle enligt scenaro 1 ( ha), scenario 2 ( ha) och scenario 3 ( ha) påverkar 0,13, 026 respektive 0,52 % av Sveriges skogar, vilket motsvarar 14-58% av avverkningsarealen för barrskog. I granskog ökar överskottaciditeten från 180 till 300 ekv per hektar och år (som medianvärde för hela landet) vid uttag av även GROT och skillnaden mellan stam- och GROT-uttag är större i södra Sverige än i norra (Tabell 1, Figur 4). I tallskog är skillnaden avsevärt mindre, medianvärdet för stamuttag är 60 ekv per hektar och år och för GROTuttag 80 ekv per hektar och år. Tabell 1. Viktat medianvärde på överskottsaciditet (ekv ha -1 år -1 ) på alla tall- respektive granpunkter som ingick i beräkningen. Överskottsaciditet (ekv ha -1 år -1 ) gran Tall Stamvedsuttag Helträdsuttag

7 Figur 4. Det viktade medianvärdet på överskottsaciditeten (ekv ha -1 år -1 ) för varje EMEP ruta för granoch tallbestånd vid stam- och helträdsuttag. Överskottsaciditeten har beräknats med N-scenario 2. Jämförelse med förråden i marken För att ge en uppskattning av vad den beräknade överskottsaciditeten innebär jämfördes resultaten med förråden av baskatjoner i marken till upp till 50 cm djup på de punkter som ingår i Riksskogstaxeringen där markkemi på olika djup mätts. Om överkottsaciditeten antas leda till att det utbytbara förrådet av baskatjoner minskar, kan man beräkna vilken tid det tar innan förrådet töms. I verkligheten innebär överskottsaciditet att endel av baskatjonerna byts ut, men även att en del av överskottsaciditeten rinner ut som försurat avrinningsvatten, vilket innebär att beräkningen bara är hypotetisk, men den ger ändå en indikation på hur allvarlig överkottsaciditeten är. Resultaten visar att områden med överskottsaciditet på mer än 250 ekv per hektar och år till stor del överlappar med områden med snabb uttömningstakt av det utbytbara förrådet, i storleksordningen en rotationsperiod. I områden med överskottsaciditet mellan 0 och 250 ekv per hektar och år är uttömningstakten vanligtvis måttlig eller långsam. Områden utan överskottsaciditet överlappar med områden med långsam utarmning eller rentav uppbyggnad av förråden. Utarmningstakten är avsevärt snabbare i granskog än i tallskog, och det är även mindre skillnad mellan takten vid stam- och GROT-uttag i tallskog än i granskog. Figur 5. Förändring av baskatjonförrådet i tallskog vid stam- respektive GROT-uttag, om all överskottsaciditet antas leda till katjonutbyte i det utbytbara förrådet. 7

8 Figur 6. Förändring av baskatjonförrådet i tallskog vid stam- respektive GROT-uttag, om all överskottsaciditet antas leda till katjonutbyte i det utbytbara förrådet. Bedömning av försurningen i lokal skala - dynamisk modellering Markförsurningsresponsen på GROT-uttag analyserades genom att titta på markvattnets ph, ANC och basmättnad på 30 cm djup (Figur 7), vilket representerar mineraljorden som är tillgänglig för en stor del av rötterna. Enligt modellberäkningarna bidrar GROT-uttag till markförsurning i alla de simulerade ytorna, eftersom alla indikatorer (ph, ANC och basmättnad) minskar med GROT-uttag. 8

9 Figur 7. Mark-pH, ANC och basmättnad minskar i alla ytor efter GROT-uttag (Sce1=stam, Sce2=GROT). Figur 8 visar de relativa förändringarna i markindikatorer. Förändringarna (Diff) är beräknade för varje indikator (Ind) mellan scenario 1 (stamuttag) och scenario 2 (GROT-uttag) enligt: Diff = ( Ind Ind ) Ind En negativ förändring indikerar en minskning av indikatorn, vilket innebär ökad markförsurning. I varje yta är ph den indikator som minskar minst mellan de två scenarierna. Minskningen i ph är buffrad av det utbytbara baskatjonförrådet, vilket är synligt i minskningen av basmättnaden (BS) (Figur 8). Modellresultatet tyder också på att den relativa minskningen är större i granbestånd än i tall, fast med hänsyn till att endast tre ytor med varje trädslag var modellerade är det svårt att dra några definitiva slutsatser. Tallbeståndet Brattfors har en låg minskning för att den är relativt fattig i jämförelse med de andra ytorna (Brattfors har ett utbytbart baskatjonförråd på 1070 meq/m 2, medan Högbränna som ligger ännu mer norrut har ett förråd av 7234 meq/m 2. De andra ytorna ligger mellan 4400 och 8400 meq/m 2 ). Figur 8. Relativ effekt av GROT-uttag på markförsurning. Enligt modellsimuleringen, har GROT-uttag också en påverkan på biomassan och det organiska markkolet och kväve. Resultaten i Figur 9 visar att GROT-uttag kan orsaka en minskad tillväxt i granytorna som befinner sig i centrala och södra Sverige, medan den har obetydliga effekter på biomassan i tallytorna och den norra granytan. GROT-uttag orsakar en minskning i markkol- och kväve-förråden i alla ytorna, men betydligt mer i granytorna. C/Nkvoten påverkas dock inte av skördscenarierna. 9

10 Figur 9. Relativ effekt av GROT-uttag på biomassa och organiskt material i marken. Bedömning av CO 2 -reduktion Beräkningen av CO 2 -reduktionen vid de olika energiscenarierna (för granbestånd) indikerar att vi vid nuvarande GROT-uttag ( ha år -1 ) kan reducera CO 2 -utsläppen med 2,3 Mton CO 2 per år om det används för att ersätta olja. Om vi fördubblar ytan med GROT-uttag är motsvarande siffra 4,7 Mton CO 2 per år, och en ytterligare fördubbling ger reduktioner på 9,3 Mton per år. Om vi skulle ta ut GROT på hela den avverkningsbara gran-arealen i Sverige skulle det motsvara ungefär 7 miljoner ton CO 2. För tallarealen skulle motsvarande CO 2 -vinst bli 2.6 miljoner ton. CO 2 -vinsten blir betydligt högre i granbestånd än i tallbestånd eftersom biomassan i GROT från gran är högre än från tall. Det är också mer troligt att man gör GROT-uttag från gran. Tabell 2. CO 2 -vinst (ton) i gran- respektive tall-bestånd vid olika GROT-uttag. Scenario GROT-uttag (ha) CO 2 -reduktion (kton) granbestånd tallbestånd Scenario A Scenario B Scenario C All avverkningsareal tallskog * All avverkningsareal granskog *

11 * Avverkningsarealen är beräknad som den totala arealen gran- och tallskog dividerat med rotationsperioden på länsnivå, som baseras på data från Skogsstyrelsens gallringsmallar. Notera att dessa arealer underskrider arealen i scenario C, ha. För att sätta de här siffrorna i ett perspektiv kan man jämföra med det totala utsläppet av växthusgaser i Sverige, uttryckt i koldioxidekvivalenter, vilket var 67 miljoner ton år 2005 (Naturvårdsverket, 2006). Det nuvarande GROT-uttaget på ca ha i granbestånd (scenario A) reducerar motsvarar en CO 2 reduktion med 2,3 miljoner ton, vilket motsvarar ca 3,4 % av det totala utsläppet av växthusgaser i Sverige. Beräkningarna visar att det finns stor potential i skogen och om GROT tas ut i all barrskog och används för att ersätta olja, reduceras CO 2 -utsläppen med 9,6 miljoner ton/år, vilket är en betydlig del (ca 14 %) av de totala CO 2 -utsläppen. Dessa beräkningar är till för att ge en uppfattning av storleksordningarna. För att få mer exakta siffror krävs realistiska scenarier över hur GROTet används, och vilka typer av fossila bränslen det kan komma att ersätta. Slutsatser Skogsbränsleuttag på ha, ha och ha berör 14-58% av den totala avverkningsarealen för barrskog, vilket motsvarar 0,1-0,5 % av Sveriges skogsareal per år. I granskog leder skogsbränsleuttaget till en kraftigt ökad överskottsaciditet. Området med en överskottsaciditet på över 250 ekv ha -1 år -1 ökar från delar av Götaland till i princip hela Götaland och Svealand samt Norrlandskusten. I dessa områden utarmas stora delar av skogsmarken snabbt och förråden kan komma att tömmas inom loppet av en rotationsperiod. Den dynamiska modelleringen visar minskad basmättnad, minskat ph och minskad ANC vid GROT-uttag, framför allt i granskog. Tallskog påverkas inte alls i samma utsträckning av GROT-uttag. Om GROTet från ha granskog används som skogsbränsle i stället för olja kan de årliga CO 2 -utsläppen minskas med 2,3 Mton, vilket är 3,4 % av de totala växthusgasutsläppen i Sverige, uttryckt som koldioxidekvivalenter (67 miljoner ton). GROT-uttag på hela avverkningsarealen i barrskog motsvarar 14% av de totala utsläppen. Resultatet visar att det finns en relativt stor energipotential i skogen, men att GROT-uttag bör följas av askåterföring, speciellt i södra och mellersta Sverige samt norrlandskusten, för att förhindra ökad försurning och uttömning av markens baskatjonförråd. Den dynamiska modelleringen visar att GROTuttag minskar förrådet av kol och kväve i marken, speciellt i granbestånd. Detta innebär att en viss del av koldioxidvinsten vid användning av GROT kan motverkas av minskad kolinlagring i marken. Referenser Naturvårdsverket (2006): Sweden s National Inventory Report 2007, ISBN ISSN , Naturvårdsverket, Schelin, M., (2006): Överensstämmer anmält och verkligt GROT-uttag? Skogsstyrelsen, Rapport 5,