Metsikön kasvatus muuttuvassa ilmastossa yleisen mallisysteemin kehittäminen ja soveltaminen mäntymetsiin

Metsikön kasvatus muuttuvassa ilmastossa yleisen mallisysteemin kehittäminen ja soveltaminen mäntymetsiin Annikki Mäkelä ja työryhmä: Tapio Linkosalo, Sanna Härkönen, Pasi Kolari, Minna Pulkkinen, Remko Duursma, Leila Grönlund

Hankkeen tavoitteet rakentaa työkalu joka: ennustaa metsikkökuvioittain puuston kasvua muuttuvassa ympäristössä erilaisin harvennuksin ja eri kiertoajoilla soveltuu laatimaan muuttuvaa ympäristöä vastaavat kasvuja tuotosennusteet työkalu ennustaa runkopuun tuotoksen tavaralajeittain hiilivarannon lahopuun määrän hakkuujätteen määrän taloudellinen analyysi

Tausta PipeQual hiilitaseeseen perustuva kasvumalli (Mäkelä & Mäkinen 2003) mänty, kuusi kasvu ja tuotos, runkojen rakenne => tavaralajit nykyilmastossa sovellettu harvennusten ja kiertoaikojen optimointiin (Hyytiäinen et al. 2004, Tapio 2006) SPP ja Prelued metsikön fotosynteesin ja hengityksen laskentamalleja (Mäkelä et al. 2006, Mäkelä et al. 2008) sää- ja maaperätekijät CO 2 Yasso maan hiilitaseen malli (Liski et al. 2005)

Menetelmät GPP, NPP SPP, Prelued Kasvukausi Sää, kasvupaikka Lehtiala Biomassat Puuston tila PipeQual Puuston kasvu Karikkeet Kiertoaika Maa Yasso Kiertoaika

Osatehtävät OT1 Mallisysteemin ohjelmointi MOTTI-ympäristö OT2 Ilmastoskenaarioiden vaikutuksen liittäminen ohjelmistoon OT3 Testaus ja kalibrointi eri alueilla tunnetussa ilmastossa OT4 Tulosten laskenta ja tulkinta tehdään ennusteet alueille ja skenaarioille vertailu: nykyiset kasvuennusteet, aiemmat Kellomäki+Motti ennusteet OT5 Taloudellinen tarkastelu Metsätalouden kannattavuus maan eri osissa metsänomistajan näkökulma puuntuotos, hiilinielukauppa, monimuotoisuus (lahopuu)

Osatehtävät OT1 Mallisysteemin ohjelmointi MOTTI-ympäristö OT2 Ilmastoskenaarioiden vaikutuksen liittäminen ohjelmistoon OT3 Testaus ja kalibrointi eri alueilla tunnetussa ilmastossa OT4 Tulosten laskenta ja tulkinta tehdään ennusteet alueille ja skenaarioille vertailu: nykyiset kasvuennusteet, aiemmat Kellomäki+Motti ennusteet OT5 Taloudellinen tarkastelu Metsätalouden kannattavuus maan eri osissa metsänomistajan näkökulma puuntuotos, hiilinielukauppa, monimuotoisuus (lahopuu)

OT2 Ilmastoskenaarioiden vaikutuksen liittäminen ohjelmistoon

Vuotuinen fotosynteesi ja hengitys kasvumallissa Fotosynteesi GPP = P 0 (1 exp(-k LAI)) Hengitys R = f(h) GPP sää, kasvupaikka Mäkelä et al. 2006 AFM 2008 GCB latvusten rakenne (ikä) Duursma & Mäkelä 2006 Tree Phys Mäkelä & Valentine 2001 Tree Phys Photosynthesis (kg C m -2 yr -1 2.5 2 1.5 1 0.5 0 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 Foliage mass (kg / ha) Site 1 Site 2 Photosynthesis (kg m-2 yr-1) 2.5 2 1.5 1 0.5 0 0 5000 10000 15000 Foliage mass (kg/ha) Site 1 Site 2

GPP SPP metsikön kaasunvaihto puolen tunnin aika-askelella Mäkelä et al. 2006, Agric. For. Meteor. 139:382-398 Prelued päivän aika-askel: PAR, T, VPD Mäkelä et al. 2008 GCB Näistä johdetaan vuotuinen GPP => kasvun laskentaan

SPP

PRELUED GPP k = k f APAR f L,k f S,k f D,k f W,k + e k P 0,k f APAR + e k missä = LUE (valon käytön tehokkuus) optimioloissa k = PAR-säteily latvuston päällä päivänä k f i, k = todellisen ympäristön aiheuttama alenema optimista päivänä k, f i,k [0, 1] e k = satunnaisvirhe päivänä k GPP GS = f APAR P 0,k + e k => P 0 P 0,k

PRELUED: Estimointiaineisto Sodankylä, Finland, 2001-2002 Scots pine, 50-80 yr, LAI 2.9 Hyytiälä, Finland, 2001-2003 Scots pine, 40 yr, LAI 7.0 Norunda, Sweden, 1995-2002 Scots pine & Norway spruce, 100 yr, LAI 11.7 Tharandt, Germany, 2001-2003 Norway spruce, 140 yr, LAI 22.8 Bray, France, 2001-2002 maritime pine, 30 yr, LAI 4.0

PRELUED: Tuloksia päivätasolla Ekosysteemin GPP voidaan ennustaa päivittäisen lämpötilan, säteilyn, kyllästysvajauksen ja lehtialan eri maantieteellisillä alueilla ja kasvupaikkatyypeillä (Mäkelä et al. 2008, GCB)

PRELUED: Tuloksia vuositasolla g C / m 2 / Year 1600 1400 1200 1000 Average of P 0 P0 1800 1600 1400 1200 1000 800 y = 0.6434x + 444.06 R 2 = 0.8756 800 600 400 200 0 Vantaa Jokioinen Jyväskylä Sodankylä Kevo 600 400 200 0 0 500 1000 1500 2000 Effective Temperature Sum Suomessa vuotuinen GPP määräytyy pitkälti tehollisen lämpösumman perusteella Päivittäiset tiedot säämuuttujista PAR, VPD ja T parantavat estimaatteja

Muuttuva ilmasto PRELUED-mallista puuttuu maan vesipitoisuuden vaikutus CO 2 suora N-vaikutus Liitetty malliin johtamalla tiivistelmäyhtälöitä tarkemmista fysiologisista ja ympäristömalleista

Maan vesipitoisuus Veden saatavuuden vaikutus tuotokseen GPP GS = f APAR P 0,k s D,k kuivuuskerroin päivälle k, s D,k [0, 1] Duursma et al. 2008 Tree Phys, Linkosalo et al. 2009 16

Lehtien typpipitoisuus Empiirisen aineiston analyysi EC-paikoilta ~20 paikkaa lehtien typpipitoisuuden suoraa vaikutusta ei voida osoittaa (Peltoniemi et al. valmisteilla)

CO 2 -pitoisuus Relative daily photosynthesis Relative transpiration 1.4 1.1 1.3 1 1.2 0.9 1.1 0.8 1 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.7 0 0.005 0.01 0.015 0.02 VPD (mol/mol) VPD SPP-malliin liitetty fotosynteesin Farquhar-malli ja Ball-Berry- Leuningin ilmarakomalli Tulos: CO 2 :n ja VPD:n yhteisvaikutus (Kolari et al. 2010) 1.1 1 0.9 0.8 0.7 Relative transpiration (E > 0.1 E max ) 0 0.005 0.01 0.015 0.02 VPD

CO 2 -pitoisuus: tiivistelmämalli Ca = 700 ppm Ca = 540 ppm Ca = 380 ppm 1 900 ppm, 0.5, 0.5, 380 ppm, 1 exp 0 0 0 0, a b k x C b C C C C a f C C kd f a a a a a C x a a D C (Kolari et al. 2010)

OT3 Mallin testaaminen nykyilmastossa

Mallin testaaminen nykyilmastossa Kun säästä riippuva GPP-ennuste liitetään kasvumalliin, voidaan ennustaa metsiköiden vuotuisen tilavuuskasvun maantieteellistä vaihtelua G s = f NPP P 0 f APAR G s runkomassan kasvu (kg DW ha -1 yr -1 ) P 0 potentiaalinen GPP (kg C ha -1 yr -1 ) NPP: allokaatio rungon kasvuun (suhde) f NPP suhde NPP / GPP (kg DW kg -1 C) Härkönen et al. 2010 ForEco

Mallin testaaminen nykyilmastossa 137 VMI:n pysyvää koealaa maan eteläosasta kuusi, mänty ja koivu 1985 ja 1995 Härkönen et al. 2010 ForEco 22

Mallin testaaminen nykyilmastossa NFI 20 15 10 5 0 y = 0.8165x + 1.9749 R 2 = 0.3841 y = 1.0865x - 0.3066 R 2 = 0.5448 0 5 10 15 20 Modeled SIMO Tree model chain Photosynthesis model Härkönen et al. 2010 ForEco 23

OT4 Tulosten laskenta ja tulkinta

Metsien tuotoskyky P 0 (g C m -2 v -1 ) Säädata: lähde: IL 10 km 10 km hila Päivittäinen 30 vuotta tasoitettu hilaan sääasemien mittausaineiston perusteella (Linkosalo et al. 2010) 25

Tuloksia 1. Kuivuuspäivien lkm (maan vesi alle 10% vedenpidätyskyvystä) Soil 50mm Soil 100mm Current weather T+3C Prec +10% T+3C Prec 0% T+3C Prec -10% T+5C Prec 0% (Linkosalo et al. 2010)

2. potentiaalinen GPP [kg(c)/ha/a] fenologia ja vakio RH (valonsidonta 100%, rajoitteina vesi, T, PAR ja VPD) Soil 50mm Soil 110mm Current weather T+3C Prec +10% T+3C Prec 0% T+3C Prec -10% T+5C Prec 0% (Linkosalo et al. 2010)

Potentiaalinen GPP (g C m -2 yr -1 ): Keskimääräisellä kasvupaikalla jonka vedenpidätys = 110 mm

Potentiaalinen GPP (g C m -2 yr -1 ): Keskimääräisellä kasvupaikalla jonka vedenpidätys = 50 mm

Vaikutukset puuston kasvuun ja käsittelyihin Esimerkki kasvun lisäyksen vaikutuksesta eteläsuomalaisen männikön käsittelyiden ajoittumiseen PipeQual-mallin mukaan. Käsittelyt Tapion ohjeilla. kasvatus 1: viitetaso, kasvatus 2: NPP kasvaa 10%.

Vaikutukset puuston kasvuun ja käsittelyihin taloudellinen tarkastelu Käynnissä olevissa rinnakkaishankkeissa SusEn, Olli Tahvonen ja Heljä-Sisko Helmisaari - kokopuunkorjuun kannattavuus kuusikoissa CC-TAME, Raisa Mäkipää ja Maarit Kallio - ilmastonmuutoksen vaikutus puuntuotokseen EU:ssa ja sen politiikkavaikutukset Carb-Bal, Aleksi Lehtonen, IL, SYKE, VTT - metsäaluiden hiilensidonta Näissä hankkeissa mukana myös maan hiilen ja ravinteisuuden tarkastelu (Yasso ja ROMUL)

Esimerkki mallin sovelluksesta metsänkäsittelyiden taloudelliseen optimointiin eri tavoitteilla ja muuttuvassa ilmastossa Carbon stock at age of 80 years, (kg/ha) 100000 90000 80000 70000 60000 50000 40000 30000 20000 10000 0 Current recommendation, current climate Current recommendation, A2 scenario foliage branch Branch heartwood stem stem heartwood dry branch coarse root & stump fine root Economical optimum, current climate Economical optimum, A2 scenario No management, current climate No management, A2 scenario Mäkipää et al. in press, Japan. J For

Yhteenveto ja jatkotutkimustarpeet

Yhteenveto Mitä saatiin aikaan tässä hankkeessa? ilmastotekijöiden vaikutuksen liittäminen kasvumalliin testi nykyilmastossa esimerkkilaskelmia potentiaalisesta tuotoksesta ja käsittelyistä Arviointia modulaarisuus => läpinäkyvyys ja testattavuus prosessitiedon hyödyntäminen syöttötiedot saatavilla epävarmuuksia silti paljon työ edelleen kesken

Tutkimustarpeet Hankkeen näkökulmasta Tulosten hyödyntäminen alkuperäisen suunnitelman mukaan taloudellisessa analyysissa ja käsittelyiden vertailussa Yleensä Vaikutustutkimusta tarvitaan yhä - puulajit - riskit: kuivuus, bioottiset ja tuulituhot - metsien rooli hiilen globaalissa kierrossa Metsän parhaat käsittelyt eri tavoitteilla ja eri ympäristöissä 35

Sopeutumistarpeet Joustavuus järjestelmissä!

Kiitokset Tapio Linkosalo, Sanna Härkönen, Pasi Kolari, Minna Pulkkinen, Remko Duursma, Leila Grönlund Eero Nikinmaa, Raisa Mäkipää, Olli Tahvonen