Country-scale carbon accounting of the vegetation and mineral soils of Finland

The increase in global temperature has been attributed to increased atmospheric concentrations of greenhouse gases (GHG), mainly that of CO2. The threat of severe and complex socio-economic and ecological implications of climate change have initiated an international process that aims to reduce emissions, to increase C sinks, and to protect existing C reservoirs. The famous Kyoto protocol is an offspring of this process. The Kyoto protocol and its accords state that signatory countries need to monitor their forest C pools, and to follow the guidelines set by the IPCC in the preparation, reporting and quality assessment of the C pool change estimates. The aims of this thesis were i) to estimate the changes in carbon stocks vegetation and soil in the forests in Finnish forests from 1922 to 2004, ii) to evaluate the applied methodology by using empirical data, iii) to assess the reliability of the estimates by means of uncertainty analysis, iv) to assess the effect of forest C sinks on the reliability of the entire national GHG inventory, and finally, v) to present an application of model-based stratification to a large-scale sampling design of soil C stock changes. The applied methodology builds on the forest inventory measured data (or modelled stand data), and uses statistical modelling to predict biomasses and litter productions, as well as a dynamic soil C model to predict the decomposition of litter. The mean vegetation C sink of Finnish forests from 1922 to 2004 was 3.3 Tg C a-1, and in soil was 0.7 Tg C a-1. Soil is slowly accumulating C as a consequence of increased growing stock and unsaturated soil C stocks in relation to current detritus input to soil that is higher than in the beginning of the period. Annual estimates of vegetation and soil C stock changes fluctuated considerably during the period, were frequently opposite (e.g. vegetation was a sink but soil was a source). The inclusion of vegetation sinks into the national GHG inventory of 2003 increased its uncertainty from between -4% and 9% to ± 19% (95% CI), and further inclusion of upland mineral soils increased it to ± 24%. The uncertainties of annual sinks can be reduced most efficiently by concentrating on the quality of the model input data. Despite the decreased precision of the national GHG inventory, the inclusion of uncertain sinks improves its accuracy due to the larger sectoral coverage of the inventory. If the national soil sink estimates were prepared by repeated soil sampling of model-stratified sample plots, the uncertainties would be accounted for in the stratum formation and sample allocation. Otherwise, the increases of sampling efficiency by stratification remain smaller. The highly variable and frequently opposite annual changes in ecosystem C pools imply the importance of full ecosystem C accounting. If forest C sink estimates will be used in practice average sink estimates seem a more reasonable basis than the annual estimates. This is due to the fact that annual forest sinks vary considerably and annual estimates are uncertain, and they have severe consequences for the reliability of the total national GHG balance. The estimation of average sinks should still be based on annual or even more frequent data due to the non-linear decomposition process that is influenced by the annual climate. The methodology used in this study to predict forest C sinks can be transferred to other countries with some modifications. The ultimate verification of sink estimates should be based on comparison to empirical data, in which case the model-based stratification presented in this study can serve to improve the efficiency of the sampling design.Metsien kasvillisuuden biomassa ja maaperä ovat merkittäviä hiilen varastoja. Ilmakehän hiilidioksidia sitoutuu metsiin hitaasti metsien kasvun myötä, mutta sitä voi vapautua ilmakehään nopeasti ja hyvinkin suuria määriä esimerkiksi ihmisen toiminnan tai ilmastonmuutoksen vaikutuksesta. Kioton sopimuksen allekirjoittaneet maat ovat velvollisia seuraamaan metsiensä hiilivarastoja ja arvioimaan niiden luotettavuutta. Väitöskirjassa arvioitiin Suomen metsien kasvillisuuden ja kangasmaiden maaperän hiilitasetta vuosina 1922 2004, sekä verrattiin menetelmän tuottamia ennusteita metsikkökohtaisiin mittauksiin maaperän hiilivarastoista. Väitöskirjassa tarkasteltiin Suomen metsien vuotuisten hiilivarastojen muutoksien (nielujen) luotettavuuksia, niihin vaikuttavia tekijöitä, sekä arvioitiin niiden epävarmuuksien merkitystä Suomen koko kasvihuonekaasutaseelle. Väitöskirjassa esitettiin myös laskentamenetelmän sovellus, jossa malliennusteita käytettiin hyväksi maaperän hiilivarastojen näytteenotannan tehostamisessa. Laskentamenetelmä käyttää lähtötietoinaan inventointitietoa metsistä (tai simuloitua metsikkötietoa), liittää sen tilastollisiin biomassa- ja karikemalleihin, sekä dynaamiseen maaperän karikkeen ja hiilen hajotusmalliin. Keskimääräinen vuotuinen hiilivaraston muutos Suomen metsien kasvillisuudessa vuosien 1922 2004 aikana oli 3.3 Tg C a-1, ja kangasmaiden maaperän hiilivarastossa 0.7 Tg C a-1. Suomen kasvillisuuden ja maaperän nielut olivat huomattavia verrattuina kasvihuonekaasujen päästöihin muilla sektoreilla. Metsien kasvillisuuden ja maaperän nielut vaihtelivat kuitenkin vuosittain hyvin paljon. Menetelmän ennusteet metsikkökohtaisista maaperän hiilivarastoista ja niiden pitkän ajan muutoksista olivat yhteneväisiä metsiköistä mitattuihin keskiarvoihin. Suomen metsien vuotuiset nielut olivat silti lähes kertaluokkaa epävarmempia kuin esimerkiksi fossiilisten polttoaineiden poltosta johtuvat hiilidioksidipäästöt, ja ne heikensivät oleellisesti Suomen kasvihuonekaasutaseen luotettavuutta. Mikäli Suomen kangasmaiden maaperän nielua arvioitaisiin toistuvilla metsikkökohtaisilla mittauksilla maaperän hiilivarastoista, mallipohjaisella näytteenotannan osituksella voitaisiin saavuttaa kohtuullisia parannuksia näytteenotannan tehokkuudessa. Suomen metsien nieluja raportoitaessa ja käytettäessä on nykyisin perustellumpaa tukeutua keskiarvoihin, jotka on laskettu useampien vuosien nieluarvioista. Metsien vuotuisia nieluarvioita ja niiden luottamusrajoja voidaan tarkentaa tulevaisuudessa yhdistämällä useampia tietolähteitä ja malleja. Tarkempia vuotuisia ennusteita metsien hiilinieluista saatetaan tarvita esimerkiksi Kioton jälkeisillä raportointikausilla, sekä ilmastomallinnuksen tukena