Greenhouse Gas Fluxes and Carbon Sequestration in Young Norway Spruce Stands : The Effects of Fertilization

• The enormous challenge of climate change is discussed and debated today because of its major impact on life on Earth. The forests have an important role to play as the plants absorb carbon dioxide (CO2) from the atmosphere through their photosynthesis and the growing tree retain carbon (C). Hence, the larger the growth the greater the carbon storage and climate benefit. The demand for wood and wood products is increasing as well as the ongoing debate about forest management. Therefore, alternative management methods to increase wood production is of interest and the effects these methods could have on climate change mitigation. In this context this Thesis deals with the effect of fertilization on carbon balance and growth in young forest as well as flows of the greenhouse gases, CO2, methane (CH4), and nitrous oxide (N2O) from forest land. In addition, it deals also with the reliability and comparability of different measurement methods which are compared with respect to the carbon balance.The studies have been carried out in a young mixed stand of Norway spruce (Picea abies (L.) Karst) and birch (Betula pendula and B.pubescens) on a storm-felled (Gudrun 2005) area in southern Sweden, Kronoberg county. Part of the area was fertilized with 150 kg N ha-1 everysecond year from 2014 and forward, while the other part was kept unfertilized. In the unfertilized part a dose experiment was set up where 0,150, 300, and 450 kg N ha-1 were added to investigate the impact of the different fertilizer levels on forest floor greenhouse gas fluxes. Chamber measurements of forest floor fluxes, eddy-flux measurements of stand net-fluxes and tree measurements of height, diameter and birch leaf biomass were conducted in different, occasionally overlapping, periods in the years 2013-2021.The results show that even if the flows of CO2 from the forest floor increase initially after a first standard fertilization, the effect decreases quickly. The net fluxes show that the stands become carbon sinks already eight years after the storm with a net uptake of about 18 ton CO2 ha-1 yr-1 of. The forest floor fluxes of CH4 and N2O also show a short-term effect of fertilization, however the levels are very low compared to CO2. The fertilization induced increase of total tree biomass growth increased with time. The results show that 12 and 15 years after regeneration, the fertilization compared to the control has increased the tree growth by 3.4 and 6.3 m3 ha-1 yr-1 and carbon storage by 4.7 and 8.7 ton C ha-1 yr-1 respectively.Comparison of measurement results of the Eddy-flux technique's netflows and chamber measurements of soil respiration together with tree growth shows the importance of calibrating the measurement methods when the results are later to be used in modeling future climate scenarios.

• Den stora utmaningen med de pågående klimatförändringarna har sedan Kyotoprotokollet 1997 diskuterats med en ökande intensitet eftersom dessa har en avgörande inverkan på livet på jorden. Skogen har en viktig roll att spela då växterna genom sin fotosyntes tar upp koldioxid (CO2) från atmosfären och det växande trädet binder in kol (C). Ju högre tillväxten är, desto större är kolinlagringen och klimatnyttan. Efterfrågan på trä och träprodukter liksom den pågående debatten om skogsskötsel intensifierats. Därför är alternativa skogsskötselmetoder för att öka virkesproduktionen intressanta att studera liksom deras påverkan på klimatförändringarna. Med detta som bakgrund behandlar denna avhandling effekten av gödsling avseende skogens kolbalans, närmare bestämt tillväxt i ungskog samt flöden av växthusgaserna, CO2, metan (CH4) och lustgas (N2O) från skogsmark. Dessutom behandlar den tillförlitligheten i och jämförbarheten av olika mätmetoder med avseende på skogens kolbalans.Studierna har genomförts i ett ungt blandbestånd av gran (Picea abies(L.) Karst) och björk (Betula pendula and Betula pubescens) på ett ca 60 hektar stort område, utanför Ljungby i Kronobergs län, som blåste ned istormen Gudrun år 2005. Under åren 2013 till 2021 genomfördes redovisade kammarmätningar av markflöden av växthusgaser, eddyfluxmätningar av växthusgasers nettoflöden på beståndsnivå, skogsuppskattning av trädslag, höjd och diameter samt insamling av björkblad. Mätningarna var delvis överlappande i tid. En del av området gödslades ett långtidsförsök med 150 kg kväve (N) per hektar vartannat år från 2014. Den andra delen behölls ogödslad. På en del av den ogödslade delen inrättades 2016 ett giveförsök där 0, 150, 300 och 450 kg N per hektar tillfördes för att undersöka de olika nivåernas påverkan på växthusgasflödena från marken.Resultaten visar att även om flödet av koldioxid från marken intitialt ökar efter en första standardgödsling så avtar effekten snabbt. När kolinbindningen i växternas fotosyntes läggs till utflödena från marken blir bestånden kolsänkor, dvs de visar ett nettoupptag, redan åtta år efter stormfällningen. För skogsmark på mineraljord gäller att den generellt ären sänka för metan. I långtidsförsöket minskade denna sänka efter första gödslingen medan i det i giveförsöket behövdes dubbel kvävedos för att minskningen skulle bli signifikant. I samtliga fall fortsatte skogsmarken emellertid att ta upp metan. Flödena av lustgas från marken ökade direkt efter gödsling i försöket med upprepade gödslingar men ingen skillnad syntes åren efter. I giveförsöket var skillnaden inte signifikant även om bilden visar en uppåtgående trend med ökad gödselgiva. I markens flöden av växthusgaser utgör CH4 och N2O endast en bråkdel i jämförelse med CO2.Mätningar av trädens tillväxt visade att både björk och gran svarar på upprepad ungskogsgödsling med ökad tillväxt, granen (4,2 m3 per hektar och år) i högre utsträckning än björken (2,1 m3 per hektar och år). Våra resultat visar också att gödslingen 12 och 15 år efter beståndsanläggningen ökat kolinlagringen i beståndet med 4,7 respektive 8,7 ton kol per hektar och år.Jämförelse av mätresultat från Eddy-flux teknikens nettoflöden och kammarmätningarna av markrespiration tillsammans med trädens tillväxt visar på vikten av att kalibrera mätmetoderna när resultaten senare ska användas i modellering av framtida klimatscenarier.

Ämnesord

LANTBRUKSVETENSKAPER  -- Lantbruksvetenskap, skogsbruk och fiske -- Skogsvetenskap (hsv//swe)

AGRICULTURAL SCIENCES  -- Agriculture, Forestry and Fisheries -- Forest Science (hsv//eng)

Nyckelord

carbon balance

young mixed forests

Picea abies (L.) Karst.)

Betula spp

chamber measurements

forest floor greenhouse gas fluxes

eddy-flux technology

above ground biomass

carbon dioxide

methane

nitrous oxide

kolbalans

ung blandskog

Picea abies (L.) Karst.)

Betula spp

kammarmätningar

markflöden av växthusgaser

eddy-fluxteknik

biomassa ovan jord

koldioxid

metan

lustgas

Forestry and Wood Technology

Skog och träteknik

Publikations- och innehållstyp

vet (ämneskategori)

dok (ämneskategori)