Economic-ecological optimization group Aino Assmuth, Vesa-Pekka Parkatti, Antti-Juhani Pekkarinen, Sampo Pihlainen, Janne Rämö ja OT

Transkriptio

1 Metsän hoito jatkuvapeitteisenä: metsänomistajan talous, luonnon monimuotoisuus ja hiilen sidonta Olli Tahvonen, Helsingin yliopisto, Metsätieteiden laitos Economic-ecological optimization group Aino Assmuth, Vesa-Pekka Parkatti, Antti-Juhani Pekkarinen, Sampo Pihlainen, Janne Rämö ja OT

2 Klassinen näkökulma metsävarojen käyttöön: minkäikäisenä puu tai tasaikäinen puusto kannattaa kaataa? Faustmann 1849, Samuelson 1976,, Finnish silvicultural recommendations 213 Stand volume m 3 ha -1 V t Time years tasaikäismetsätalous rotation forestry (RF) Aika, vuosia t Maksimaalisen kestävän puuntuotannon tavoite: rt rt rt r 2 t rt r 3 max J( t ) w e pv( t ) e w e pv( t ) e w e pv( t ) e t... t V t maxw t t Paljaan maan nettonykyarvon maksimoinnin tavoite: 1. kiertoika 2. kiertoaika 3. kiertoaika 2

3 Metsien hoito tasaikäisrakenteisina puustoina vs jatkuvapeitteisinä Tasaikäismetsätalous (rotation forestry): puut samanikäisiä harvennuksia,.., päätehakkuu istutus, kylvö, siemenpuut yksi puulaji per puusto vert. puuplantaasit Faustmann 1849 metsätalous Suomessa ja Ruotsissa kiertoaika 1 kiertoaika 2 Jatkuvapeitteinen metsätalous (continuous cover forestry): eri-ikäisrakenteisuus vain harvennuksia puiden synty luonnollisesti useita puulajia de Liocourt 1898 (Kerr 214) Keski-Eurooppa, vaahterametsät Kanada, USA

4 Tasaikäismetsätalous yksinkertainen toteuttaa tuottaa tehokkaasti puuraaka-ainetta sopii parhaiten plantaasimetsätaloudelle laaja tausta tutkimuksessa ja opetuksessa metsäammattilaisten suosima: toimii aina ainoa oikea tapa hoitaa metsiä ~ Ongelmia metsien muiden arvojen säilyminen? homogeenisiin puustoihin liittyvät ongelmat onko aina kannattavin ratkaisu? plantaasit kattavat vain 7% maailman metsistä mutta sovelletaan laajasti plantaasien ulkopuolella sivuuttaen vaihtoehdot Metsien hoito jatkuvapeitteisenä paljon potentiaalia yhteensovittaa puuntuotanto ja metsien monimuotoisuus-, maisema-, virkistys- ja kulttuuriarvot paljon potentiaalia varautumisessa ilmastomuutokseen käytännössä Suomessa laiton ~ Ongelmia vähemmän tutkimuksellista taustaa vaikeampaa toteuttaa toimiiko aina? -syntyykö riittävästi uusia taimia? -tyvilaho? -korjuuvauriot? metsäammattilaiset: ei riittävästi kuutioita, ei kannata taloudellisesti

5 Monitietieteisyydestä luonnonvarojen tutkimuksessa * Metsien käytön ja suojelun kysymykset ovat väistämättä monitieteisiä ekologia, taloustiede, matematiikka, insinööriteiteet, ei vielä riittävästi toteudu metsäntutkimuksessa Yksi monitieteisyyden tulkinta: nojataan ekologisissa kysymyksissä ekologiaan, taloudellisissa kysymyksissä taloustieteeseen, matemaattissa kysymyksissä matematiikkaan, Model coupling methodology Taloudellis-ekologinen optimointi tutkimusryhmässä arvioitu tuoreessa artikkelissa Philosophy of Science -julkaisussa Model coupling metodologia johtaa yksityiskohtaisiin malleihin verrattuna tavanomaiseen luonnonvarojen taloustieteeseen malleihin, jolla on vahva talousteoreettinen perusta verrattuna moniin soveltavan ekologian ja ympäristötutkimuksen näkökulmiin välttää usein hedelmättömän tieteidenvälisen ideologisen kiistelyn ja suuntautuu monitieteiseen yhteistyöhön 5

6 Fysiikasta, biologiasta ja kansantaloustieteestä Fysiikkaa voidaan käyttää atomipommien valmistamiseen mutta myös aurinkopanelien kehittämiseen ja valmistamiseen Biologiaa voidaan käyttää turkiseläintuotannon tehostamiseen mutta myös luonnonsuojeluohjelmien suunnitteluun Kansantaloustiedettä voidaan käyttää monopoliyritysten lyhyen aikavälin voittojen maksimointiin mutta myös luonnonvarojen säästeliääseen ja oikeudenmukaiseen jakamiseen sukupolvien kesken Obs: Taloudelliset arvot kaupalliset arvot Talous business 6

7 Taloudellis-ekologinen usean puulajin malli (Tahvonen ja Rämö 216, 217) harvennustulot (netto) päätehakkuutulot (netto) ekosysteemipalvelut J,T max h, k,,tt, it it t 1 w R C, C b R C, C b T 1 l l t1 T1 it ith it it t f it cli it it T T T 1 h h k h h k tt1 i1 i1 BD t t T 1 T 1 1b 1b subject to, x x x x i 1,t 1 i t 1 i1 t 1 t x i1t h i1t k i1t, t t 1,...,T, i 1,...,l, x x x xis 1,t 1 is t xist 1 is 1 t is 1 t x is 1,t his 1,t k is 1,t, i 1,...,l, s 1,...,n 1, t t 1,...,T, ekologinen kokoluokkarakenteinen malli usean puulajin metsän kasvulle (Usher 1966, Caswell 21, Bollanssås 28) h h, i 1,...,k, s 1,...,n, t t,...,t, ist t ist 1 k k, i 1,...,l, s 1,...,n, t t,...,t, ist t ist 1 x i1t, x ist, i 1,...,k, s 2,...,n. 1 1

8 Mallin lähtökohtia ratkaistaan metsän käyttö, joka tuottaa suurimman mahdollisen kannattavuuden (metsäomistajan nettotulojen nykyarvon) kannattavuuteen voidaan sisällyttää ekosysteemipalveluiden arvo tai vain vertailla eri hakkuutapojen tuottamia ekosysteemipalveluiden määriä, monimuotoisuutta yms Simpson indeksi=>monimuotoisuus=>ekosysteemipalvelut=>hyöty ekosysteemipalveluista mallissa ei oteta a priori kantaa eri hakkuutapojen, puulajimäärien yms. paremmuuteen vaan nämä selviävät mallin ratkaisuista =>ratkaisuna voi tulla tasaikäismetsätalous tai jatkuvapeitteinen malli sisältää yksityiskohtaisen kuvauksen puunkorjuun kustannuksista sekä tasaikäismetsätaloudessa että jatkuvapeitteisessä vaihtoehdossa ekologisena kuvauksena metsän kasvusta voidaan käyttää norjalaista (Bollandsås et al 28) tai suomalaista (Pukkala et al. 213) mallia metsän tila voi olla alussa mikä tahansa mutta yksinkertaisin vaihtoehto on olettaa, että alkutila on päätehakkuun jälkeinen paljas maa, joka uudistetaan keinollisesti ongelmana on tällöin arvioida kannattaako jatkossa hoitaa metsää tasaikäisrakenteisena vai jatkuvapeitteisenä vaihtoehtona olisi ottaa alkutilaksi valmiiksi heterogeeninen monen puulajin metsä => tämä suosisi metsän hoitoa heterogeenisenä myös jatkossa kun paljas maa suosii tasaikäisrakenteista vaihtoehtoa

9 Esimerkkejä tuloksista: puhdas kuusikko, MT, Keski- Suomi korko 3% 25 Tasaikäismetsätalous 25 Jatkuvapeitteinen 2 2 Volume m 3 ha Volume m 3 ha Time years Time years Kannattavin ratkaisu, jos uudistamiskust.<2 Uudistamskustannukset nolla: Paljaan maan arvo: 4148, tuotos m3/a: 6.4 Kiertoaika 12 vuotta, 4 yläharvennusta Jos uudistamiskustannukset nolla Paljaan maan arvo: 4144, m3/a: 4.74 Hakkuiden väli steady state -tilassa: 25 vuotta Uudistamiskustannukset 2 =>kannattavin ratkaisu Korkea korko ja uudistamiskustannukset lisäävät jatkuvapeitteisen kannattavuutta suhteessa tasaikäismetsötalouteen Metsämaan suuri tuotoskyky (m 3 /ha) lisää tasaikäismetsätalouden kannattavuutta suhteessa jatkuvapeitteiseen Tasaikäisrakenteinen ja päätehakkuu tuottaa suurimman m 3 /ha tuotoksen Jatkuvapeitteinen sopii paremmin kuuselle kuin männylle (Parkatti 217)

10 Usean puulajin metsä: kuusi, mänty, koivu muut lehtipuut Korko 3%, ei uudistamiskustannuksia =>tasaikäismetsätalous Muut lehtipuut: ei kaupallista arvoa 3 Stand volume per species m 3 ha Optimikiertoaika 1 vuotta 4 harvennusta Max paljaan maan arvo: 4274 Puuntuotos per vuosi: Kuusi 5.1 m 3 Koivu 1.2 m 3 Mänty.9m 3 Muut lehtipuut.3m 3 Yhteensä: 7.2 m Spruce Birch Pine Other broadleaves Total stand volume Time years

11 Optimaalinen jatkuvapeitteinen ratkaisu Korko 3%, uudistamskustannukset 15 ha -1, (=>jatkuvapeitteinen optimaalinen) Stand volume per speces m 3 ha Hakkuuväli steady state -ratkaisussa 15 vuotta Steady state tuotos per vuosi Spruce 3.92 m 3 Birch 1. m 3 Pine:.6 m 3 Other broadleaves:.1m 3 Total: 5.8m Time years Spruce Birch Pine Other broadleaves Total volume

12 Steady state metsän rakenne ja korjuu Steady state number of spruce before harvest Steady state number of birch before harvest Tulot netto per hakkuu 356 Puun tuotos per korjuu 74.8m 3 Korjuukustannukset 13.2/ m 3 Steady state number of pines before harvest Tree diameter mm Trees after harvest Harvested trees Steady state number of other broadleaves before harvest Tree diameter mm Trees after harvest Harvested trees =>jatkuvapeitteinen: yläharvennus & muiden lehtipuiden poisto >75mm every 15 years =>i.e. jatkuvapeitteinen ei ole lyhytnäköistä high grading metsän hyödyntämistä Diameter mm Diameter mm Trees after harvest Harvested trees Trees after harvest Harvested trees

13 2 Simpson indeksin arvo tasa (RF) vs jatkuvapeitteinen (CCF) ratkaisu Diskontattu Simpson indeksin arvo ratkaisuissa, jotka maksimoivat metsänomistaja tulot Management and stand type w= w=15 RF/CCF, kuusi RF/CCF, kuusi, koivu RF/CCF, kuusi, koivu, mänty RF/CCF, kuusi, koivu, mänty, muut lehtipuut =>Simpson index saa suuremman arvon jatkuvapeitteisissä ratkaisuissa verrattuna tasaikäismetsätalouteen, vaikka tavoitteena olisi pelkkä tulojen maksimointi

14 Lisätään hyöty ekosysteemipalveluista tulojen kanssa yhteismitallisena tavoitteena metsänhoidon tavoitteisiin 3 Ekosysteemipalveluja ei huomioitu 3 Ekosysteemipalvelut huomioitu Stand volume per speces m 3 ha Stand volume per species m 3 ha Time years Spruce Birch Pine Other broadleaves Total volume Paljaan maan arvo: 4239 Hakkuiden väli: 15 vuotta Nettotulot per korjuu: 356 Vuotuinen tuotos: 5.m 3 (ei muita lehtipuita) Tuotos per hakkuut: 74.8m 3 Muiden lehtipuiden max koko 175mm Simpson indeksin steady state arvo: Time years Spruce Birch Pine Other broadleaves Total volme Paljaan maan arvo: 4164 (2% alenema) Hakkuiden väli: 2 vuotta Nettotulot per korjuu: 3728 Vuotuinen tuotos: 4.4m 3 (obl excl) Tuotos per hakkuut: 87.9m 3 Muiden lehtipuiden max koko 375mm Simpson indeksin steady state arvo:

15 Simpson indeksin arvo koskemattomassa metsässä vs jatkuvapeitteisessä hoidetussa metsässä.95.9 Value of Simpson index Stand age years No harvesting solution Optimal CCF solution witout ES preferences Optimal CCF solution with ES preferences (B=646 =>Jatkuvapeitteisenä hoidetussa metsässä Simpson indeksi saa suuremman arvon kuin koskemattomana kehittyvässä metsässä Selitys: koskemattomana metsä kehittyy ~yhden puulajin kuusikoksi

16 Hiilen sidonta ja metsänhoidon vaihtoehdot Assmuth et al, 217 T T t1 t1 w Q xt, ht b Rht Ci ht tc f b t tt1 h T 1 st, t,t t 1, J x,t max subject to x x x x 1, t 1 t 1 1 t 1 t x 1t h1 t, x x x 1 b xs 1, t1 s t xst 1 s 1 t s 1 t x s1, t hs 1, t, s 1,2,...,n 2, x x xn, t1 n 1 t xn 1, t 1 n t x nt hnt, x x 1 h 1 h 1 x h Q p B B r y r y r d d t c t1 t 1 t t, t t, t t d m, t t h, t t 1 1 t, 1, t t, t 1,...,T x, s 1, 2,...,n, t t, t 1,...,T 1, st 1 1 h h, s 1, 2,...,n, t t, t 1,...,T, st t st 1 1 x, T 1 xst, given. 1 hiilen sidonnan arvon sisällyttäminen optimointin lisää jatkuvapeitteisen kannattavuutta suhteessa tasaikäismetsätalouteen tulosta edelleen vahvistaisi päätehakkuun aiheuttama metsämaan hiilen vapautuminen 16

17 Refrences Bollandsås, O.M., Buongiorno, J., and Gobakken, T. 28. Predicting the growth of stands of trees of mixed species and size: A matrix model for Norway. Scandinavian Journal of Forest Research 23(2): Caswell, H., 21. Matrix Population Models: Construction, Analysis and Interpre-tation. Sinauer, Massachusetts. European Academies 217. Multi-functionality and sustainability in the European Union s forests. EASAC policy report 32, Halle, Germany. Faustmann, Martin Berechnung des Wertes welchen Waldboden, sowie noch nicht haubare Holzbestände für die Waldwirtschaft besitzen. Allgemeine Forst- und Jagd-Zeitung 25: Gamfelt, l. et al 213. Higher levels of multiple ecosystem services are found in forests with more tree species. Nature Communications, 4:134, 1-7. Kerr, K. The management of silver fir forests: de Liocourt (1898) revisited. Forestry: An International Journal of Forest Research, 214, 87:1, Pihlainen, S. O. Tahvonen, and S. Niinimäki. Economics of timber and bioenergy production and carbon storage in Scots pine stands. Canadian Journal of Forest Research, 214, 44(9), Parkatti, Vesa-Pekka 217. Economics of boreal conifer species in continuous cover and clearcut forestry. Pro gradu, University of Helsinki. Pukkala, T., Lähde, E., and Laiho, O Species interactions in the dynamics of even- and uneven-aged boreal forests. Journal of sustainable forestry 32(4): Samuelson P.A., Economics of forestry in an evolving society. Economic Inquiry 14: Tahvonen, O. Optimal choice between even- and uneven-aged forestry. Natural resource modeling 22(2): , 29. Tahvonen, O, Kumpula, J and Pekkarinen A-J: Optimal harvesting of an age-structured two sex herbivore-plant system. Ecological Modelling 272: , 214. Tahvonen, O. and Rämö, J. Optimality of continuous cover vs. clear-cut regimes in managing forest resources. Canadian Journal of Forest Research 46: , 216. Tahvonen, O. and Rautiainen, A.: Economics of forest carbon storage and the additionality principle. Energy and Resource Economics 5: , 217. Tahvonen, O.: Economics of naturally regenerating heterogeneous forests. Journal of the Association of Environmental and Resource Economists, 215 (2): Tahvonen, O.: Economics of rotation and thinning revisited: the optimality of clearcuts versus continuous cover forestry. Forest policy and Economics, 62, 88-94, 216. M.B. Usher, M.B A Matrix Approach to the Management of Renewable Resources, with Special Reference to Selection Forests-Two Extensions, J. Appl. Ecol. 6, van Kooten, G.C., Binkley C.S., Delcourt G., Effect of carbon taxes and subsidies on optimal forest rotation age and supply of carbon services. American Journal of Agricultural Economics 77:

18 6. Supply of ecosystem services as a function of biodiversity is measured by the Simpson index Gamfeldt et al. (212): In boreal forests the level of ecosystem services depends positively on stand level tree species diversity Assume: species are represented by each x,i 1,...,l, s 1,...,n, i.e. by number of trees in each size classes. The the Simpson index takes the form is D k ist ist i1 s1 t 1 k n k n x n x x ist i1 s1 i1 s1 1 x ist 1, D 1, number of species and abundance of each species and the benefits from ecosystem services are given as BD t, where B is a constant. Forest economic models typically assume that nontimber values depend on stand age only (cf. Hartmann 1976 approach) Some earlier CCF models with ecosystem services apply the static model