METSIEN VIHREÄ HIILI Esitelmä Suomen Tiedeseuran kokouksessa 17. maaliskuuta 2014 pitänyt PEKKA KAUPPI Omistettu professori Paavo Yli-Vakkurin 100-vuotissyntymäpäivän kunniaksi Ilmakehän hiilidioksidi vaikuttaa olennaisesti maapallon lämpöoloihin. Tämän väitteen esitti professori Svante Arrhenius jo 1800- luvulla (Arrhenius 1896). Hän oli arvostettu ruotsalainen meteorologi, joka voitti kemian Nobel-palkinnon vuonna 1903. Kasvihuonevaikutus muodostuu, vaikka hiilidioksidia on ilmakehässä vain 0,04%. Hiilidioksidin massa on pääosin happea. Molekyylissä on kaksi raskasta happiatomia ja yksi kevyt hiiliatomi ja hiiltä ainoastaan 26%. Hiilen määrä ilmakehässä on vähäinen, mutta se on kohonnut 1950-luvulta lukien noin neljänneksen, kun kivihiiltä, öljyä ja maakaasua on käytetty energian tuottamiseen. Vaikka hiilen suhteellinen osuus ilmakehässä on pienen pieni, se on elintärkeä alkuaine, jota vihreät kasvit yhteyttävät. Lähes puolet kasvillisuuden kuivapainosta on hiiltä. Valtaosa eliökunnan hiilivaroista on kiinnittynyt puihin, jotka varastoivat hiiltä selluloosaan, ligniiniin, hemiselluloosaan ja muihin orgaanisiin yhdisteisiin. Kasvien hiiliyhdisteet ovat pääosin tukirakenteita, jotka ovat lujia ja kestävät hajoamatta pitkiä aikoja kasviyksilön kuoleman jälkeenkin. Lopulta kasvien osat kuitenkin hajoavat. Kasvillisuutta katoaa palamisen tai mikrobiologisen maatumisen yhteydessä. Hiili purkautuu hiilidioksidina takaisin ilmakehään, mistä se on tullutkin. Kasvillisuuden määrä vaikuttaa ilmakehän hiilidioksidipitoisuuteen. Jos kasviainesta karttuu, hiilidioksidia poistuu ilma-
Sphinx 2013 2014 kehästä, mikä vaikuttaa ilmakehän hiilidioksidipitoisuuteen alentavasti. Kasvillisuuden väheneminen vastaavasti lisää ilmakehän hiilidioksidikuormaa. Kasvun ja hajoamisen erotus määrää hiilitaseen etumerkin ja kasvillisuusvaikutuksen voimakkuuden. Jos hajoaminen kumoaa kasvun täydellisesti, kasviaineksen hiilivarat eivät muutu lainkaan. Tämä erikoistapaus on mahdollinen mutta käytännössä hyvin harvinainen. Kasvillisuuden massa yleensä joko pienenee tai suurenee. Elävä luonto on melkein aina joko hiilidioksidin lähde tai sen nielu. Ilmakehän hiilidioksidipitoisuus alenee, kun pohjoisen pallonpuoliskon laajoissa metsissä on kesä. Silloin fotosynteesi tuottaa energiaa koko vuoden tarpeisiin. Syksyllä, talvella ja keväällä hiiltä vastaavasti purkautuu taivaalle ja ilmakehän hiilidioksidipitoisuus kohoaa. Korkein pitoisuuslukema saavutetaan yleensä toukokuun alussa uuden kasvukauden alkaessa (Kuva 1). Kuva 1. Ilmakehän hiilidioksidin vuodenaikaisvaihtelu Havaijin mittausasemalla Mauna Loan tulivuorella. Mittauspaikka sijaitsee Tyynen valtameren keskellä noin 3400 metrin korkeudella merenpinnasta (Graven ym. 2013).
Pekka Kauppi Luonnossa on vuodenaikaisvaihtelun ohella vuorokausivaihtelua ja kasvillisuuden kehityksen aiheuttamaa hyvinkin pitkän aikavälin vaihtelua. Euroopan puusto on puolen vuosisadan ajan vuosi vuodelta karttunut, mikä on hidastanut ilmakehän hiilidioksidikehitystä. Toisaalta esimerkiksi Indonesian puusto on voimakkaasti vähentynyt aiheuttaen hiilidioksidipäästöjä. Hiilidioksidi on tasaisesti sekoittunut ilmakehän kaikkiin osiin, vaikka liikkuukin vilkkaasti ilmavirtausten mukana paikasta toiseen. Metsäkasvillisuus on maailmanlaajuisen hiilenkierron elimellinen ja tärkeä osa. Suurikokoiset ja monivuotiset puut muodostavat ison hiilivaraston, joka ottaa tai luovuttaa hiilidioksidia ilmakehästä riippuen siitä, karttuvatko puuvarat vai ovatko ne ehtymään päin. Metsät peittävät noin kolmanneksen maa-alasta ja niiden yhteispinta-ala on noin kolme miljardia hehtaaria. Puolet metsistä on tropiikissa ja toinen puoli tropiikin ulkopuolella. Suomi sijaitsee pohjoisten havumetsien vyöhykkeellä, mikä ulottuu maailmanlaajuisesti noin yhden miljardin hehtaarin alueelle. 1970-luvulla arvioitiin, että maailman metsien puusto ehtyy ja kuormittaa ilmakehää hiilidioksidilla (Woodwell ym. 1978). Uusien tutkimusten mukaan näin ei enää tapahdu vaan maapallon metsien hiilivarasto on alkanut nettomääräisesti karttua (Pan et a. 2011, Ballantyne ym. 2012). Puuston karttuminen todettiin ensin Yhdysvalloissa (Clawson, 1979) ja Euroopassa (Kauppi ym. 1992) ja sittemmin esimerkiksi Kiinassa (Fang ym. 2001). Uusien tutkimusten mukaan maailman puusto nettomääräisesti karttuu, vaikka metsäkatoa esiintyy paljon ja metsäpinta-ala edelleen supistuu (FAO 2010). Puustot tiheytyvät niin voimakkaasti, että metsien hiilivarasto runsastuu metsäpinta-alan supistumisesta huolimatta (Rautiainen ym. 2011). Vaikka kehitys on myönteistä, se ei turvaa metsäluonnon monimuotoisuutta. Metsiä raivataan peltojen tieltä tropiikissa, missä väestö kasvaa. Tropiikin metsät ovat lajirikkaita ja monimuotoisia. Puuston karttumista tapahtuu eniten viileän ilmaston metsissä, missä metsien monimuotoisuus on vähäisempää. Kiinassakin luonnonmetsät vähenevät, vaikka istutusmetsien perustaminen lisää metsien kokonaisalaa ja metsäkasvillisuuden määrää (Fang ym. 2001). Professori Freeman Dyson oivalsi ensimmäisten joukossa, että puustoa lisäämällä voidaan alentaa ilmakehän hiilidioksidipitoisuutta. Hän esitti suunnitelman vakavan ilmastonmuutoksen varalta, missä puita istutetaan ennestään puuttomille maille suurena kansainvälisenä hankkeena (Dyson 1977). Dysonin laskelmien mukaan kustannukset eivät olleet ylivoimaisia ja vapaata maatakin oli riittävästi. Maa-alueet viljelysmaiden ulkopuolella, missä metsää ei ole, ovat tosin karuja. Laajamittainen metsit-
Sphinx 2013 2014 tämisohjelma edellyttää monin paikoin ainakin lannoitusta ja joskus jopa kastelujärjestelmiä. Dyson korosti hankkeen käytännöllisiä esteitä kuten kastelu- ja lannoitusohjelman valtavia mittasuhteita, valtioiden välisiä erimielisyyksiä ja muita istutustoiminnan vaikeuksia. Metsittämistä Dysonin tarkoittamassa mittakaavassa on tapahtunut vain Kiinassa. Kiinan metsien pinta-ala on 1990-luvulta lukien kasvanut yli kahdella miljoonalla hehtaarilla vuosittain. Tämä on merkinnyt Kiinan metsien laajenemista Suomen metsäalan verran kymmenen vuoden välein. Uudet metsät poistavat ilmakehän hiilidioksidia, joskin ne kompensoivat Kiinan fossiilipäästöistä vain runsaan sadasosan. Kiina tuottaa energiansa pääosin kivihiilellä. Kiina on tehnyt metsittämistä osittain hiilidioksidin nieluvaikutuksen takia, mutta tärkeämpiä motiiveja ovat olleet maaseudun työtilaisuuksien lisääminen, raaka-ainevarojen kehittäminen, tulvasuojelu ja luonnonsuojelu (Niu ym. 2012). Metsittämisen mahdollisuuksia Dyson (1977) arvioi huolellisesti, mutta ei ottanut huomioon, että hiilivarat voivat karttua metsäpinta-alasta riippumatta, jos metsäkasvillisuus tihenee voimakkaasti. Maailman metsien nykyinen hiilinielu on varsin suuri, sillä se vastaa suuruusluokaltaan Euroopan Unionin fossiilisia hiilipäästöjä. Maailman metsäala kuitenkin samaan aikaan supistuu. Tässä esitelmässä pohdin, miten maailman metsiin voidaan sijoittaa ilmakehän hiiltä aiheuttamatta kielteisiä sivuvaikutuksia. Tarkoitukseni on päivittää professori Freeman Dysonin vuoden 1977 tutkimusta. Vuonna 2011 maailman fossiiliset hiilipäästöt olivat noin 9 miljardia tonnia (Peters ym. 2012). Kiinan osuus oli noin 2,4 ja Yhdysvaltojen vastaavasti noin 1,5 miljardia tonnia. Euroopan Unionin päästöt olivat noin 1,1 miljardia tonnia. Nämä päästöluvut on ilmaistu hiilenä, ei hiilidioksidina siis ottamatta lukuun hapen osuutta hiilidioksidissa. Dysonin varasuunnitelma oli metsittämisohjelma, missä puustoon siirretään viisi miljardia tonnia hiiltä vuosittain 50 vuoden ajan. Tämä ei riitä kompensoimaan kaikkia fossiilisia päästöjä, mutta vastaa Kiinan, Yhdysvaltojen ja Euroopan Unionin yhteenlaskettua päästölukua. Kiinan päästökuormasta noin kaksi kolmannesta on aiheutunut kotimaisesta kulutuksesta ja yksi kolmannes vientiteollisuuden energiantarpeesta. Vienti on mennyt pääosin Yhdysvaltoihin ja Eurooppaan. Kiinan osuus maailman päästöistä ei ollut aivan niin suuri kuin tilastoista voi päätellä, mutta oli kuitenkin varsin suuri. Talousihmeen kaudella Kiinan hiilidioksidipäästöt ovat kasvaneet noin kymmenen prosentin vuosivauhdilla, jopa talouskasvuakin nopeammin.
Pekka Kauppi On tärkeää huomata, että ihmiskunta tarvitsee maata moniin eri tarkoituksiin ja ennen kaikkea ruuan tuotantoon. Emme voi varata maata ensi sijassa ilmakehän hiilidioksidin varastopaikaksi. Hiilitaseen parantaminen pitää sovittaa yhteen maankäytön muiden tarpeiden kanssa. Muuten sillä ei ole onnistumisen mahdollisuuksia. Kun Dysonin kirjoitus ilmestyi 1977, väestöä oli 4,2 miljardia. Vuonna 2013 historiallisen nopean väestönkasvun jälkeen ihmisiä oli jo 7,2 miljardia. Voimme hattua nostaen kunnioittaa 1900- luvun tiedettä siitä, että ruuan tuotantoa on onnistuttu lisäämään ja maailman nälkäongelma on vähentynyt väestönkasvusta huolimatta. Viljelyn satotasoja on parannettu voimakkaasti (Borlaug 2007). Viljelyala on kuitenkin laajentunut vuoden 1977 jälkeen eikä metsittämiskelpoista maata enää ole jäljellä yhtä paljon kuin sitä Dysonin suunnitelman aikaan oli. Väestönkasvu on sittemmin aavistuksen hidastunut eikä käytännössä enää jatku muualla kuin Afrikassa, Intian niemimaalla ja Lähi-Idässä. Peltoalaa ei ehkä tarvitse enää paljon laajentaa. Parhaassa tapauksessa voimme palauttaa peltoja metsäksi (Ausubel ym. 2013). Kehitys on kuitenkin arvaamatonta, sillä ravitsemuksen tasovaatimus kohoaa ja maapallon ilmasto saattaa muuttua ja huonontaa maanviljelyn edellytyksiä. Luonnon monimuotoisuuden kannalta on tärkeää, että metsäkato saadaan päättymään. Se helpottaa suuresti myös metsien hiilivarojen kasvattamista. Jos Dysonin suunnitelman henkeä halutaan noudattaa, pitää ensi sijassa arvioida olemassa olevien metsien kykyä ottaa vastaan lisää hiiltä. Tämä kyky on osoittautunut suuremmaksi, kuin 1970-luvulla arvioitiin. Toisaalta pitää huolehtia monien eri tarpeiden integroinnista toisiinsa. Esimerkkiä voi näyttää Kiina, missä hiilinielua on voimistettu maaseudun työllisyyden edistämisen ja tulvasuojelun sivutuotteena. Dysonin ajatus on tavallista helpommin toteutettavissa Suomessa. Maassamme on alle tuhannesosa maailman väestöstä mutta lähes sadasosa maailman metsistä. Emme voi tavoitella laajaa metsittämistä, sillä pääosa maastamme on valmiiksi metsien peitossa. Mutta voimme kehittää ja ohjata metsiemme puuvaroja. Suomessa ei ole tarpeen puhua varasuunnitelmasta vaan voimme lisätä metsiemme hiilivaroja arkisena toimintana sovittaen tähän parhaalla taidollamme yhteen metsien ekosysteemipalveluja. Jos tässä onnistumme, muut voivat käyttää kokemuksiamme hyväksi tehdessään omia ratkaisujaan. Vuonna 2010 puuvarojemme hiilisisältö oli noin 800 miljoonaa tonnia. Puusto runsastui, mikä kartutti sen hiilivaroja
Sphinx 2013 2014 noin 8 miljoonalla tonnilla vuosittain. Suomen fossiiliset hiilipäästöt 2010 olivat noin 17 miljoonaa tonnia. Voimme Dysonin hengessä tavoitella päästöjen vähentämistä ja/tai puuston kartuttamista, kunnes luvut ovat keskenään yhtä suuret. Silloin Suomi ei enää kuormita ilmakehää edellyttäen, ettei toimintamme liioin aiheuta kansainvälisen kaupan välityksellä päästökuormaa ulkomailla. Vienti ja tuonti on otettava huomioon kansallisia hiilitaseita laskettaessa. Muista Länsi-Euroopan maista poiketen Suomi ei ole aiheuttanut päästöjen nettokuormaa ulkomailla. Tuomme öljyä Venäjältä ja kulutustavaroita Aasiasta mutta vastaavasti viemme terästä, paperia ja laitteita. Suomen aiheuttama päästökuormitus on ollut viennin ja tuonnin suhteen tasapainossa (Peters ja Hertwich 2008). Käsite ekosysteemipalvelu sisältää kaikki arvokkaat ja merkitykselliset asiat, mitä metsistämme voimme saada. Suomessa on poikkeuksellisen laaja metsäteollisuus ja maassamme on erityisen tarkasti arvioitava teollisuuden puuntarpeen ja metsien hiilitaseen keskinäistä vuorovaikutusta. Voimmeko kartuttaa puuvaroja ja siitä huolimatta tai peräti sen ansiosta hankkia metsistä riittävästi raaka-ainetta metsäteollisuuden tarpeisiin? Suomen metsien kasvu oli 1960-luvulla vähäistä ja hädin tuskin riitti täyttämään teollisen puunkäytön tarpeet. Puuvarat eivät silloin karttuneet, kun puunkorjuu oli likimain yhtä suurta kuin puuston kasvu. Puuston kasvu on sittemmin lähes kaksinkertaistunut ja puuta on riittänyt kaikkiin tarkoituksiin. Yli 600 000 hehtaaria suomalaista metsää on muun muassa varattu kansallispuistoille. Raaka-aine tulee uusiutuvista varannoista ja metsäteollisuuden sivutuotteena saadaan uusiutuvaa sähköenergiaa ja kaukolämpöä. Vientiin menee suuri määrä puutavaraa, selluloosaa, kartonkia ja paperia, joita voidaan ulkomailla ensin käyttää ja kierrättää ja joista lopuksi voidaan tuottaa jätehuollon yhteydessä energiaa, joka korvaa kivihiilenkäyttöä. Kun asetelma on tällainen, puuston kartuttaminen hiilivarastoksi Suomessa ei ole ainoa ilmastoon liittyvä ekosysteemipalvelu, mitä metsistämme tavoitellaan. Puustoa pitää kartuttaa ensi sijassa siten, että se entisestään parantaa muidenkin ekosysteemipalvelujen edellytyksiä. Ympäristönsuojelun strategiset tavoitteet, joihin hiilivarojen suojelu on sovitettava, ovat muuttuneet. Teollisuuden paikalliset saastumisongelmat ovat vähentyneet Suomessa, mutta niitä esiintyy yleisinä ja vakavina Aasian kaupungeissa. Metsiä suojellaan Euroopassa ja Yhdysvalloissa, mutta teollisuuspuuta otetaan laittomilla hakkuilla Indonesiasta ja Afrikasta. Hyvinvoivat
Pekka Kauppi teollisuusmaat ulkoistavat teollista tuotantoa erityisesti Aasiaan, missä talouskasvu on nopeaa ja energiankulutuksen kasvu suhteessa vielä nopeampaa. Jos metsäteollisuus toimii Suomessa ja metsien puuvaroja samalla kartutetaan, ympäristönsuojelun ratkaisut edustavat korkeinta kansainvälistä tasoa. Suomen hiilivaroja ei ainakaan pidä kartuttaa sillä keinolla, että kotimaista puunkorjuuta vähennetään ja metsäteollisuutta siirretään ulkomaille. Hakkuiden vähentämisen sijasta pitää ensi sijassa tavoitella kasvun suurentamista. Kohonnut kasvu voidaan jakaa puuston kartuttamisen ja hakkuiden lisäämisen kesken. Hakkuita lisäämällä uusiutuvan energiantuotannon perusta laajenee. Lopuksi haluan korostaa, että metsien hiilivaroja ohjaamalla emme voi ratkaista ilmakehän hiilidioksidin kohoamisen ongelmaa. Asiaan on tartuttava lukuisten keinojen yhdistelmällä (Pacala ja Socolow 2004, Davis ym. 2013). On mielenkiintoista seurata, kykeneekö ihmiskunta riittävään yhteistoimintaan ja pystyykö se riitaisan kauden jälkeen saamaan ympäristönsuojeluun uuden otteen. Jos myönteinen uusien toimenpiteiden kausi pääsee alkuun, tiedettä ja tutkimusta odottavat suuret tehtävät, jotka ovat verrattavissa vihreän vallankumouksen ihmeeseen. Niihin tehtäviin Suomen nuorten tutkijoiden pitää ilmoittautua. Kirjallisuusviitteet Arrhenius, S. (1896). On the influence of carbonic acid in the air upon the temperature of the ground. The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science, 41 (251), 237-276. Ausubel, J.H. & I.K. Wernick & P.E. Waggoner (2013). Peak farmland and the prospect for land sparing. Population and development review, 38(s1), 221-242. Ballantyne, A.P. & C.B. Alden & J.B. Miller & P.P. Tans &, J.W.C. White (2012). Increase in observed net carbon dioxide uptake by land and oceans during the past 50 years. Nature, 488 (7409), 70-72. Borlaug, N. (2007). Feeding a hungry world. Science, 318 (5849), 359-359. Clawson, M. (1979). Forests in the long sweep of American history. Science, 204 (4398), 1168-1174. Davis, S.J. & L. Cao & K. Caldeira & M.I. Hoffert (2013). Rethinking wedges. Environmental Research Letters, 8 (1), 011001. Dyson, F.J. (1977). Can we control the carbon dioxide in the atmosphere? Energy, 2 (3), 287-291.
Sphinx 2013 2014 Fang, J. & A. Chen & C. Peng & S. Zhao & L. Ci (2001). Changes in forest biomass carbon storage in China between 1949 and 1998. Science, 292 (5525), 2320-2322. FAO Global forest resources assessment 2010. FAO Rome, Italy. Graven, H.D. & R.F. Keeling & S.C. Piper & P.K. Patra & B.B. Stephens & S.C. Wofsy [...] & J. D. Bent (2013). Enhanced seasonal exchange of CO2 by northern ecosystems since 1960. Science, 341 (6150), 1085-1089. Kauppi, P.E. & K. Mielikäinen & K. Kuusela (1992). Biomass and carbon budget of European forests, 1971 to 1990. Science, 256 (5053), 70-74. Niu, X. & B. Wang & S. Liu & C. Liu & W. Wei & P.E. Kauppi (2012). Economical assessment of forest ecosystem services in China: Characteristics and implications. Ecological Complexity, 11, 1-11. Pacala, S., & R. Socolow (2004). Stabilization wedges: solving the climate problem for the next 50 years with current technologies. Science, 305 (5686), 968-972. Pan, Y. & R.A. Birdsey & J. Fang & R. Houghton & P.E. Kauppi & W.A. Kurz [...] & D. Hayes (2011). A large and persistent carbon sink in the world s forests. Science, 333 (6045), 988-993. Peters, G.P. & E. G. Hertwich (2008). CO2 embodied in international trade with implications for global climate policy. Environmental Science & Technology, 42 (5), 1401-1407. Peters, G.P. & G. Marland & C. Le Quéré & T. Boden & J. G. Canadell & M. R. Raupach (2012). Rapid growth in CO2 emissions after the 2008-2009 global financial crisis. Nature Climate Change, 2 (1), 2-4. Rautiainen, A. & I. Wernick & P.E. Waggoner & J.H. Ausubel & P.E. Kauppi (2011). A national and international analysis of changing forest density. PLoS One, 6 (5), e19577. Woodwell, G.M. & R.H. Whittaker & W.A. Reiners & G.E. Likens & C.C. Delwiche & D. B. Botkin (1978). The biota and the world carbon budget. Science, 199 (4325), 141-146.