Modelling effects of climate change and forestry on weathering rates and base cation cycling in forest soils
Författare
Summary, in Swedish
Kemisk vittring kallas processen när mineralkorn löses upp och sönderdelas i molekyler eller atomer. Det är en viktig process, bland annat för att den frigör ämnen som skyddar marken från försurning och som fungerar som näringsämnen för växter. För de så kallade baskatjonerna kalium, kalcium, magnesium och natrium är vittringen i marken bland de största källorna. Framför allt de tre förstnämnda baskatjonerna är viktiga näringsämnen för växter och baskatjoner skyddar också marken från markförsurning. Svensk berggrund, och därmed svenskt jordtäcke, innehåller mest kiselrika långsamvittrade mineral, med ganska låga halter av baskatjoner. Det kan därför finnas ganska låga halter av tillgängliga baskatjoner i marken, särskilt i områden som har utsatts för försurning eller där skogen är mycket produktiv. Produktiv skog tar upp mycket baskatjoner, som förs bort från skogen vid skörd. Södra Sverige, särskilt sydvästra delen, är oftast både mycket produktiv och har varit utsatt för försurning.
Vittringshastigheten varierar mellan olika mineral och beroende på omgivning, framför allt temperatur och markfuktighet. I svenskt klimat är den vanligen mycket högre på sommaren än på vintern. Andra faktorer som påverkar är kornstorlek (med högre vittring i finkorniga jordar med hög sammanlagd mineralyta), samt tillgång på de ämnen som mineralkornen reagerar med under vittringsprocesserna: vattnet i sig, koldioxid, vätejoner, hydroxidjoner (fast de sistnämnda finns bara i väldigt låga koncentrationer i jordar under svenska förhållanden) och organiska syror.
Vittring är svårt att mäta utanför labbmiljö och därför finns i stället olika metoder och modeller för att beräkna vittringen. I den här studien har två modeller använts, som beräknar vittringen utifrån de kemiska reaktioner som bidrar till vittringen. Den ena, PROFILE, behöver mindre data och ger ett medelvärde av vittringen för en viss modellerad mark, utan hänsyn till variation i tid. Den andra, ForSAFE, använder mer data och inkluderar fler processer, såsom hur vatten från nederbörden infiltreras i marken och fuktar den, trädens tillväxt och nedbrytning av trädens förna. Den visar dessutom utvecklingen i tid av vittringen.
I avhandlingens första artikel jämförs vittringsresultat för de två modellerna, för två skogsytor i mellanskåne, Västra Torup och Hissmossa. I denna artikel visas också, med hjälp av ForSAFE-modellen, hur vittringen förändras av en framtida klimatförändring, modellerad efter ett klimatscenario från IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change), hur den påverkas av ett mer eller mindre intensivt skogsbruk och hur den påverkades av försurningen som ägde rum under andra halvan av 1900-talet. Studien visar att PROFILE och ForSAFE ger liknande medelvittring, om nivåerna av markfuktighet är lika mellan modellerna. PROFILE behöver få markfuktighetsnivån som indata, medan ForSAFE modellerar den. Enligt modellen kan vittringen förväntas öka i ett framtida varmare klimat, särskilt om marken inte blir försurad och därför får höga halter av löst aluminium som minskar vittringen.
I den andra artikeln används ForSAFE-modellen på sju ytor, spridda i södra och norra Sverige, med ett klimatscenario från IPCC och ett scenario där det förutom klimatförändringen dessutom inträffar svår sommartorka fem år i rad. Resultaten visar att trots att temperaturen skiljer mycket från södra till norra Sverige och vittringen är så temperaturberoende, så finns det ingen gradient i vittring från söder till norr. Det beror på att skillnader i markens kornstorleksfördelning och vilka mineral som dominerar har större betydelse än temperaturen. Även i den här artikeln dras slutsatsen att vittringen ökar när temperaturen ökar i det framtida klimatscenariet, även om sommartorka tillfälligt kan göra att sommarvittringshastigheten blir lika låg som den brukar vara under vintrarna. I södra Sverige ökar vittringen året runt när temperaturen ökar, om än mest under vår och sommar. I norra Sverige ökar temperaturen mycket under vintern, men det har nästan ingen effekt på vittringen, eftersom temperaturen ändå oftast kommer att vara under noll och då är vittringen mycket låg. Därför sker ökningen i norra Sverige under de varma årstiderna. I torkscenariet är vittringen på helårsbasis bara 78 % av vad den skulle varit utan torkan, i den mest påverkade ytan.
Den tredje artikeln undersöker effekten av biobränsleuttag från skogen. Skillnaden i baskatjonhalter i markvatten jämförs för skogsavverkning med uttag av grenar och toppar till skogsbränsle (så kallat helträdsuttag) och för avverkning med bara stamskörd (där grenar och toppar får ligga kvar i skogen). ForSAFE-modellen används på sex av de ytor som undersöktes i artikel två. De första trettio åren efter avverkning (oavsett om grenar och toppar tas ut eller ej) är koncentrationerna av baskatjoner högre än i den ej avverkade skogen, eftersom kvarlämnat organiskt material bryts ner och frisläpper baskatjoner successivt, samtidigt som det inte finns några stora träd som tar upp stora mängder baskatjoner längre. I den helträdsavverkade skogen är baskatjonhalterna dock inte lika förhöjda som i skogen med stamuttag. Halterna av kväve, som är det viktigaste växtnäringsämnet, är också mycket lägre i markvattnet i den helträdsavverkade skogen och därför växer inte den nya planterade skogen lika snabbt, särskilt inte i de nordliga ytorna där det finns mindre kväve. Skillnaderna blir, enligt modellen, mindre med tiden och efter trettio år är koncentrationerna av baskatjoner och kväve i marken lika oavsett om grenar och toppar tas u teller ej. Träden planterade på ytorna med helträdsuttag växer också i kapp, trots att de i början växer något långsammare än träden planterade på ytor med bara stamskörd. Dessa resultat stämmer med resultaten från långliggande försök i Sverige, men skiljer sig från tidigare modelleringar med enklare dynamiska modeller. Trots att skillnaderna minskar i markvattnet och i trädtillväxten, kan det ändå på sikt finnas risk för brist på baskatjoner i helträdsskördade skogar, eftersom mycket baskatjoner har förts bort vid helträdsskörden och det inte kompenseras av ökande vittring.
I den fjärde artikeln används modellen PROFILE på 26 ytor, spridda i Sverige. De modellerade mängderna baskatjoner från vittringen jämförs med mängderna som tas ut med biomassa vid helträdsskörd. Markens försurningsstatus i ytan räknas också in. Denna modellering kan användas för att beräkna hur stort skördeuttag som är uthålligt, ur närings- och försurningssynpunkt. Resultaten visar att med några få undantag är ytor i södra Sverige mest försurade, samtidigt som de också har högst upptag av baskatjoner till träden och högst uttag vid helträdsskörd och därför är mest känsliga för uttag. Vittringen är däremot mer jämn över landet och räcker oftast inte för att få ett hållbart uttag på en högproduktiv yta i södra Sverige.
PROFILE och ForSAFE beräknar ungefär lika stor vittring och kan båda användas för att undersöka skogsbrukets uthållighet när det gäller baskatjoner och försurning. Skillnader i indatabehov och dynamik gör att de har lite olika användningsområden. PROFILE går att använda på ytor där man inte har lika mycket indata och kan med fördel användas i beräkningar med god geografisk täckning, där ingen tidsupplösning behövs, till exempel beräkningar av kritisk belastning av försurande ämnen eller, som i denna studie, kritiskt biomassauttag. ForSAFE ger mer detaljerade resultat, som kan användas för att öka processförståelsen och dynamiken i klimatförändringens effekter på vittring, markens innehåll av baskatjoner och hur det svarar mot dynamiken i trädens näringsupptag.
Vittringshastigheten varierar mellan olika mineral och beroende på omgivning, framför allt temperatur och markfuktighet. I svenskt klimat är den vanligen mycket högre på sommaren än på vintern. Andra faktorer som påverkar är kornstorlek (med högre vittring i finkorniga jordar med hög sammanlagd mineralyta), samt tillgång på de ämnen som mineralkornen reagerar med under vittringsprocesserna: vattnet i sig, koldioxid, vätejoner, hydroxidjoner (fast de sistnämnda finns bara i väldigt låga koncentrationer i jordar under svenska förhållanden) och organiska syror.
Vittring är svårt att mäta utanför labbmiljö och därför finns i stället olika metoder och modeller för att beräkna vittringen. I den här studien har två modeller använts, som beräknar vittringen utifrån de kemiska reaktioner som bidrar till vittringen. Den ena, PROFILE, behöver mindre data och ger ett medelvärde av vittringen för en viss modellerad mark, utan hänsyn till variation i tid. Den andra, ForSAFE, använder mer data och inkluderar fler processer, såsom hur vatten från nederbörden infiltreras i marken och fuktar den, trädens tillväxt och nedbrytning av trädens förna. Den visar dessutom utvecklingen i tid av vittringen.
I avhandlingens första artikel jämförs vittringsresultat för de två modellerna, för två skogsytor i mellanskåne, Västra Torup och Hissmossa. I denna artikel visas också, med hjälp av ForSAFE-modellen, hur vittringen förändras av en framtida klimatförändring, modellerad efter ett klimatscenario från IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change), hur den påverkas av ett mer eller mindre intensivt skogsbruk och hur den påverkades av försurningen som ägde rum under andra halvan av 1900-talet. Studien visar att PROFILE och ForSAFE ger liknande medelvittring, om nivåerna av markfuktighet är lika mellan modellerna. PROFILE behöver få markfuktighetsnivån som indata, medan ForSAFE modellerar den. Enligt modellen kan vittringen förväntas öka i ett framtida varmare klimat, särskilt om marken inte blir försurad och därför får höga halter av löst aluminium som minskar vittringen.
I den andra artikeln används ForSAFE-modellen på sju ytor, spridda i södra och norra Sverige, med ett klimatscenario från IPCC och ett scenario där det förutom klimatförändringen dessutom inträffar svår sommartorka fem år i rad. Resultaten visar att trots att temperaturen skiljer mycket från södra till norra Sverige och vittringen är så temperaturberoende, så finns det ingen gradient i vittring från söder till norr. Det beror på att skillnader i markens kornstorleksfördelning och vilka mineral som dominerar har större betydelse än temperaturen. Även i den här artikeln dras slutsatsen att vittringen ökar när temperaturen ökar i det framtida klimatscenariet, även om sommartorka tillfälligt kan göra att sommarvittringshastigheten blir lika låg som den brukar vara under vintrarna. I södra Sverige ökar vittringen året runt när temperaturen ökar, om än mest under vår och sommar. I norra Sverige ökar temperaturen mycket under vintern, men det har nästan ingen effekt på vittringen, eftersom temperaturen ändå oftast kommer att vara under noll och då är vittringen mycket låg. Därför sker ökningen i norra Sverige under de varma årstiderna. I torkscenariet är vittringen på helårsbasis bara 78 % av vad den skulle varit utan torkan, i den mest påverkade ytan.
Den tredje artikeln undersöker effekten av biobränsleuttag från skogen. Skillnaden i baskatjonhalter i markvatten jämförs för skogsavverkning med uttag av grenar och toppar till skogsbränsle (så kallat helträdsuttag) och för avverkning med bara stamskörd (där grenar och toppar får ligga kvar i skogen). ForSAFE-modellen används på sex av de ytor som undersöktes i artikel två. De första trettio åren efter avverkning (oavsett om grenar och toppar tas ut eller ej) är koncentrationerna av baskatjoner högre än i den ej avverkade skogen, eftersom kvarlämnat organiskt material bryts ner och frisläpper baskatjoner successivt, samtidigt som det inte finns några stora träd som tar upp stora mängder baskatjoner längre. I den helträdsavverkade skogen är baskatjonhalterna dock inte lika förhöjda som i skogen med stamuttag. Halterna av kväve, som är det viktigaste växtnäringsämnet, är också mycket lägre i markvattnet i den helträdsavverkade skogen och därför växer inte den nya planterade skogen lika snabbt, särskilt inte i de nordliga ytorna där det finns mindre kväve. Skillnaderna blir, enligt modellen, mindre med tiden och efter trettio år är koncentrationerna av baskatjoner och kväve i marken lika oavsett om grenar och toppar tas u teller ej. Träden planterade på ytorna med helträdsuttag växer också i kapp, trots att de i början växer något långsammare än träden planterade på ytor med bara stamskörd. Dessa resultat stämmer med resultaten från långliggande försök i Sverige, men skiljer sig från tidigare modelleringar med enklare dynamiska modeller. Trots att skillnaderna minskar i markvattnet och i trädtillväxten, kan det ändå på sikt finnas risk för brist på baskatjoner i helträdsskördade skogar, eftersom mycket baskatjoner har förts bort vid helträdsskörden och det inte kompenseras av ökande vittring.
I den fjärde artikeln används modellen PROFILE på 26 ytor, spridda i Sverige. De modellerade mängderna baskatjoner från vittringen jämförs med mängderna som tas ut med biomassa vid helträdsskörd. Markens försurningsstatus i ytan räknas också in. Denna modellering kan användas för att beräkna hur stort skördeuttag som är uthålligt, ur närings- och försurningssynpunkt. Resultaten visar att med några få undantag är ytor i södra Sverige mest försurade, samtidigt som de också har högst upptag av baskatjoner till träden och högst uttag vid helträdsskörd och därför är mest känsliga för uttag. Vittringen är däremot mer jämn över landet och räcker oftast inte för att få ett hållbart uttag på en högproduktiv yta i södra Sverige.
PROFILE och ForSAFE beräknar ungefär lika stor vittring och kan båda användas för att undersöka skogsbrukets uthållighet när det gäller baskatjoner och försurning. Skillnader i indatabehov och dynamik gör att de har lite olika användningsområden. PROFILE går att använda på ytor där man inte har lika mycket indata och kan med fördel användas i beräkningar med god geografisk täckning, där ingen tidsupplösning behövs, till exempel beräkningar av kritisk belastning av försurande ämnen eller, som i denna studie, kritiskt biomassauttag. ForSAFE ger mer detaljerade resultat, som kan användas för att öka processförståelsen och dynamiken i klimatförändringens effekter på vittring, markens innehåll av baskatjoner och hur det svarar mot dynamiken i trädens näringsupptag.
Avdelning/ar
Publiceringsår
2022-04-27
Språk
Engelska
Fulltext
Dokumenttyp
Doktorsavhandling
Förlag
Lund University
Ämne
- Physical Geography
- Environmental Sciences
Nyckelord
- weathering
- forest
- biogeochemistry
- Dynamic Modelling
- ForSAFE
Status
Published
Projekt
- Modelling effect of climate change and forestry on weathering rates in forest soils
Handledare
- Cecilia Akselsson
- Salim Belyazid
ISBN/ISSN/Övrigt
- ISBN: 978-91-89187-14-6
- ISBN: 978-91-89187-13-9
Försvarsdatum
23 maj 2022
Försvarstid
13:00
Försvarsplats
Pangea auditorium, Department of Physical Geography and Ecosystem Science, Geocentrum II, Sölvegatan 12, Lund. Join via Zoom: https://lu-se.zoom.us/j/65180907513?pwd=alBHL2J4SjdTNyt5aEFYbk5WVTVXdz09 passcode: 850910
Opponent
- Mike Starr (Adjunct professor)