Carbon cycle effects of different strategies for utilisation of forest resources : a review

Abstract

The objective of this report was to review studies of relevance for the Norwegian forest carbon cycle and on that basis, indicate global warming impacts of possible changes in management and utilization of the Norwegian forest resources. In the photosynthetic process, forests sequester carbon dioxide from the atmosphere. Carbon is stored in living vegetation, dead organic matter, and soil. Intensive planting and afforestation in Norway between 1950 and 1990, in combination with relatively stable harvest levels well below annual growth during the last decades, have resulted in net carbon sequestration in forests equaling more than half the current national annual greenhouse gas (GHG) emissions. The the average forest age is increasing, and the forest growth and carbon accumulation rate is therefore projected to decline in the future given continuation of recent harvest levels.

A range of studies at different scales with a variety of approaches have been carried out to assess the climate change mitigation possibilities in the forest sector. Prolonged rotations, afforestation, intensified planting, improved plant materials, changes of species, more fertilization and less thinning are all changes in the forest management that might enhance carbon sequestration. Use of bioenergy can reduce overall GHG emissions by replacing fossil fuels, and wood materials can substitute GHG-intensive materials such as concrete and steel. Studies of such substitution effects generally find a reduction in the GHG emissions when biomass systems are compared to fossil reference systems, as long as the permanent reductions in terrestrial carbon pools are small. However, the majority of these case studies assume carbon neutrality in the meaning that as new trees grow where the old ones are harvested, an amount of CO2 similar to the quantity emitted during combustion will be sequestered during the next rotation. This assumption of carbon neutrality is in line with the approach taken by the Kyoto Protocol, i.e. biogenic carbon flows are summarized without regard to the timing of each flow. However, since combustion of wood usually is less energy efficient / more carbon intensive than combustion of oil and natural gas, using wood instead of these fossil fuels for energy will in the short term lead to increased CO2 concentration in the atmosphere, creating a carbon debt and a corresponding CO2 pay-back time. If wood energy replaces power produced from coal, the net GHG emissions in the combustion process are approximately zero. The length of the pay-back time from increased harvest in Norway is mainly determined by the following factors: (i) the foregone sequestration in the harvested stand, (ii) how large share of the harvested biomass in the stand is utilized and the substitution effects of this utilization, and (iii) the initial growth of the new stand. With the present biomass utilization, forest growth and management in Norway, the length of this pay-back time is relatively long. A positive carbon price implies longer rotations for forest stands, the more if the sequestration in the existing stand is high, re-growth is slow and substitution effects low. However, at a certain point in time, a forest stand will reach a state of slow and eventually negative growth, and in this situation, harvest to replace fossil fuels followed by regeneration is more likely to improve the GHG balance also in the short run.

Our main conclusions are:

- Domestic and imported wood are to a large extent substitutes and changes in domestic harvesting levels can change harvesting levels elsewhere. Impacts of global GHG emissions of changes in domestic harvest levels require broader analyses than carried out in this study

- Higher demand for biomass from forest in Norway is likely to be covered through a mix of increased harvest, higher harvest residue utilization, reduced wood consumption in the pulp and paper industries and more import.

- With the present forest management and wood utilization, increased harvest in Norway as a result of growing demand for biomass in the energy sector, will in the short to medium term cause an increase in the GHG emissions to the atmosphere. If fossil-fuel based commodities are replaced, increased use of wood products will reduce GHG emissions in the long run.

- Utilization of harvest residue for energy can be increased within the current harvest level and have positive GHG effects also in the short run (5-15 years).

- Forest carbon sequestration can be increased by changing forest management practices: more fertilization, higher densities in planting, improved plant material, changed species, less thinning, and allocation of harvest to stands with current low growth, but with a potential of higher growth. Except for fertilization and allocation of harvest, these measures have limited carbon sequestration impacts in the short run, but considerable impacts in the medium and long run.

- To improve the substitution effects of wood products and thus the GHG impacts of harvesting, it is important that the wood products actually replace fossil-fuel intensive products , that the most GHG-intensive fossil fuels and materials are replaced and that the wood product chain has high GHG efficiency.

- The understanding of the development of old, dense stands is limited, and thus the carbon effects by keeping such stands far beyond regular forest management practices are uncertain, in particular for spruce and birch.

- Impacts of the albedo effect of different forest management regimes are not yet well known, but some studies indicate that that it might be of a magnitude that could change the conclusions drawn when considering GHG only.

If harvest in Norway increases and the use of oil and natural gas is replaced by forest bioenergy, the GHG emissions will increase in the short to medium run. However, given that increased use of biomass substitute fossil fuels or materials, increased use of biomass will reduce GHG emissions in the long run. An important question is therefore what the relevant time horizon for global warming mitigation efforts is. The optimal mitigation strategy will depend upon this chosen time horizon. To assess the pros and cons of short term versus long term emissions, one needs to broaden the scope from pure GHG emission calculations to the entire climate system and include non-GHG effects like reflections from the forest surface (albedo). Albedo effects may imply shorter rotations, more broadleaves and less afforestation compared to what is optimal when considering GHG effects only.

The net wood import accounts for 20-30% of the domestic wood consumption in Norway. Changes in the harvest level will affect wood import since there are few barriers to timber and wood product trade in Europe. Thus, possible leakage effects must be considered if implementing policies to change the harvest level in order to mitigate climate change. More research regarding the growth and mortality of old forest, and substitution effects of present and new wood products, is also needed to estimate more correctly the GHG effects of different forest management strategies in Norway. Finally, efforts to change the management of the forest resources to mitigate global warming should be coupled with considerations on factors such as economic development and biodiversity, in addition to short-run versus long-run global warming impacts in order to achieve the desired outcomes.

Formålet med denne rapporten er å gjennomgå studier som er relevante for karbonkretsløpet i skog og på dette grunnlaget vurdere hvordan endringer i skogbehandling og bruk av skogressursene påvirker utslipp av klimagasser. Gjennom fotosyntesen binder skogen karbondioksid fra atmosfæren. Karbonet blir så lagret i levende vegetasjon, dødt organisk materiale og i jordsmonnet. Omfattende planting og skogreising i Norge mellom 1950 og 1990 i kombinasjon med et relativt stabilt avvirkningsnivå de siste tiårene har resultert i en nettobinding av karbon i norske skoger som tilsvarer mer enn halvparten av de nasjonale klimagassutslippene. Reduserte investeringer i skogkultur og stabil avvirkning har resultert i høyere gjennomsnittsalder på skogen. Tilveksten og dermed opptaket av karbondioksid vil derfor reduseres i fremtiden dersom avvirkningen holdes på dagens nivå.

Det har blitt gjort en rekke studier på ulike geografiske nivåer og med ulike tilnærminger av mulighetene for å utføre klimagasstiltak i skogsektoren. Økt hogstalder, skogreising, tettere plantinger, forbedret plantemateriale, bytte av treslag, mer gjødsling og mindre tynning er eksempler på tiltak som kan øke karbonopptaket i skog. Bruk av bioenergi kan redusere klimagassutslippene ved at biomassen erstatter bruk av fossile energiressurser. Trematerialer kan erstatte mer klimagassintensive materialer som sement og stål. Studier av slike substitusjonseffekter viser generelt en reduksjon i klimagassutslippene når biomassesystemer sammenlignes med referansesystemer basert på fossile energiressurser. Dette er forutsatt at de permanente reduksjonene i de terrestriske karbonlagrene er små. Det er imidlertid slik at de fleste av disse studiene forutsetter at bruk av biomasse er karbonnøytralt fordi nye trær vil vokse opp etter hogst og karbondioksidet som slippes ut gjennom forbrenningen vil tas opp av det nye skogbestandet. Denne forutsetningen om karbonnøytralitet er i samsvar med bestemmelsene i Kyoto-protokollen og innebærer at de biotiske karbonstrømmene blir summert uavhengig av tidspunktet for utslipp og opptak. Forbrenning av biomasse er imidlertid som regel mindre energieffektive/mer karbonintensive enn forbrenning av olje og naturgass. Bruk av trevirke istedenfor disse fossile energiressursene vil derfor på kort sikt føre til økt konsentrasjon av karbondioksid i atmosfæren, som resulterer i en karbongjeld med tilhørende tilbakebetalingstid for karbondioksidet. Når trevirke erstatter kull er netto klimagassutslipp i selve forbrenningen omtrent null.

Tilbakebetalingstiden ved økt avvirkning i Norge bestemmes i hovedsak av følgende faktorer: (i) Tap av binding i bestandet som avvirkes, (ii) hvor stor andel av den avvirkede biomassen som utnyttes og substitusjonseffekten av denne biomassen, og (iii) tilveksten i det nye bestandet. Med dagens utnyttelse av biomasse, vekstforhold og skogbehandling i Norge er tilbakebetalingstiden relativt lang. En reduksjon i de samlede klimagassutslippene innebærer som oftest lengre omløpstider for skog. Omløpstiden øker hvis den tapte bindingen i eksisterende bestand er høy, tilveksten i det nye bestandet lav og substitusjonseffektene små. På et gitt tidspunkt vil imidlertid bestandet få en lav og etter hvert også negative tilvekst og avvirkning vil da kunne forbedre klimagassregnskapet også på kort sikt.

Våre hovedkonklusjoner er:

- Innenlandsk og importert trevirke er i stor grad substitutter, og endringer i innenlands avvirkning kan endre avvirkningen utenlands. Vurderinger av endringer i globale klimagassutslipp som følge av endringer i innenlandsk avvirkning krever bredere analyser enn det som er gjort i denne studien.

- Økt etterspørsel etter biomasse fra skog i Norge vil sannsynligvis bli dekket gjennom en blanding av økt avvirkning, større utnyttelse av greiner, rot og topp, redusert bruk i øvrig skogindustri og mer import.

- Med dagens skogbehandling og utnyttelse av biomasseressursene vil økt avvirkning som resultat av økt etterspørsel etter biomasse i energisektoren på kort og mellomlang sikt resultere i økte klimagassutslipp til atmosfæren. Dersom biomasse erstatter produkter produsert av fossile råvarer, vil økt bruk av treprodukter føre til lavere klimagassutslipp på lang sikt.

- Økt utnyttelse av greiner, rot og topp til energiproduksjon innenfor dagens avvirkningsnivå vil ha positiv effekt på klimagassutslippene også på kort sikt.

- Karbonopptaket i skog kan økes ved å endre skogbehandlingen. Økt gjødsling, høyere plantetetthet, forbedret plantemateriale, mindre tynning og allokering av avvirkningen til bestand med lav vekst og potensial for høyere vekst etter hogst er eksempler på tiltak med positive klimagasseffekter. Bortsett fra gjødsling og allokering av avvirkningen har disse tiltakene en begrenset klimagasseffekt på kort sikt, men kan gi betydelige effekter på mellomlang og lang sikt.

- For å bedre substitusjonseffektene og dermed klimagasseffektene ved bruk av treprodukter, er det viktig at treproduktene faktisk erstatter produkter basert på fossile ressurser og ikke kommer i tillegg. Videre er det viktig at de mest klimagassintensive produktene blir erstattet og at produksjonskjedene for treproduktene har en høy klimagasseffektivitet.

- Kunnskapen om hvordan eldre og tette skogbestand utvikler seg og dermed karboneffektene av å overholde slike bestand langt utenfor dagens praksis er usikker. Spesielt gjelder dette for gran og bjørk.

- Størrelsen på albedoeffekter av ulike skogbehandlingsregimer er fortsatt ikke god kjent, men det finnes studier som indikerer at dette kan være av en slik betydning at det endrer konklusjoner som baserer seg utelukkende på klimagasseffekter.

Hvis avvirkningen i Norge økes for å erstatte bruk av olje og gass med skogbasert bioenergi, vil klimagassutslippene øke på kort og mellomlang sikt. Gitt at biomassen erstatter bruken av fossile ressurser vil økt bruk av biomasse redusere klimagassutslippene på lengre sikt. Et sentralt spørsmål er dermed hva som skal anses å være en relevant tidshorisont for klimatiltak fordi valget av optimal strategi i stor grad vil være avhengig av den valgte tidshorisonten. For å vurdere fordeler og ulemper ved kortsiktige og langsiktige tiltak, er det behov for å utvide perspektivet fra rene klimagassregnskap til hele klimasystemet og også inkludere albedoeffektene av endringer i skogbehandlingen. Albedo effekter (refleksjon fra skogarealet) kan tilsi kortere omløpstider, mer lauvskog og mindre skogreising enn hva som er optimalt når bare klimagasseffektene inkluderes i analysene. Nettoimporten av trevirke utgjør 20-30% av virkeforbruket i Norge og endringer i innenlands avvirkning vil endre tømmerimporten i og med at det er få restriksjoner på handel med trevirke i Europa. Dette innbærer at effekter av endringer i internasjonal handel (”leakage”) bør vurderes dersom det skal innføres tiltak for å påvirke nasjonal avvirkning. Mer forsking om utviklingen for tilvekst og mortalitet i gammel skog og substitusjonseffekter for dagens og fremtidens skogprodukter er også nødvendig for bedre beregninger av klimagasseffekter av ulike strategier for skogbehandling i Norge. I tillegg til å vurdere klimagasseffekter på kort og lang sikt må tiltak for å endre forvaltingen av skogressursene for å redusere klimaendringene vurderes sammen med andre viktige faktorer som økonomisk utvikling og biodiversitet.