kolbindning via träbegravning: en grundläggande bedömning

möjligheten till kolbindning via träbegravning härrör från observationen att naturlig skog vanligtvis är fylld med döda träd (Fig. 1). Det antas att stora mängder organiskt kol begravdes och bevarades i över hundra tusen år under great Northern Hemisphere icesheets under Pleistocene glacial-interglacial cycles . Andra studier har visat att organiskt material, särskilt trä, i kommunala deponier sönderdelas extremt långsamt . Med dessa blev det klart att träskörd och begravning kan vara en livskraftig metod för kolbindning.

globalt binds cirka 60 GtC y-1 tillfälligt av markvegetation (netto Primärproduktivitet eller NPP; Fig. 2). Detta kol återförs kontinuerligt till atmosfären när vegetationen dör och sönderdelas (heterotrofisk andning, Rh). I ett stabilt tillstånd, dödligheten av dessa kolkomponenter lika med deras respektive nedbrytningshastigheter och lägga till upp till NPP så att netto landatmosfär kolflödet är nära noll (NPP = Rh). Om vi kan stoppa eller sakta ner en del av sönderdelningsvägen, har vi hopp om att sekvestrera CO2 med en hastighet som kan konkurrera med det nuvarande fossila CO2-utsläppet av 8 GtC y-1. Eftersom trämaterial är mest motståndskraftigt mot sönderdelning på grund av dess lignin-cellulosafiberstruktur som också minimerar näringslåsning (nedan), kommer jag att fokusera på denna kolpool.

två stora frågor måste först besvaras angående potentialen för denna metod: Vad är produktionshastigheten för dött trä, och hur mycket finns det i världens skogar? Tyvärr finns det en allmän brist på kunskap om död ved på skogsbotten, och denna kolpool försummas ofta i kolbudgetredovisningen. Eftersom dödsgraden i grunden är begränsad av tillväxttakten, kan den döda träproduktionshastigheten inte överstiga världens totala NPP på 60 GtC y-1. Då är nyckelfrågan hur NPP är uppdelad i de tre huvudsakliga kolpoolerna: blad, trä och rot. Löv växer och faller i en lövskog varje år, men kan vara några år i en vintergrön skog. Fint trämaterial som kvistar och små grenar kan gå sönder och falla ofta, men trädstammar och större grenar har en livslängd på decennier till århundraden och längre. Även om träbiomassa är mycket större än bladbiomassa, antyder dess långa livslängd en produktionshastighet som är mycket mindre än annars. Rotbiomassa kan vara stor och dödligheten är också betydande eftersom rötter ständigt växer för att söka efter näringsämnen och vatten. En första gissning kan vara att NPP delas lika i dessa tre pooler, vilket leder till en 20 GtC y-1 trätillväxthastighet, sålunda 20 GtC y-1 trädödsgrad vid steady state. Eftersom fint träigt skräp sönderdelas snabbare och svårare att hantera är grovare material som stammar och huvudgrenar mer lämpade för begravning. Förutsatt att hälften av det träiga materialet är grovt, kan cirka 10 GtC y-1 dött trä vara tillgängligt för begravning, vilket leder till en 10 GtC y-1 kolsänka. Om man antar en genomsnittlig uppehållstid på 10 år för döda träd på skogsbotten, skulle cirka 100 GtC (10 GtC y-1 gånger 10 år) i form av grovt träigt skräp redan finnas på skogsbotten. Dessa döda trämaterial är under olika stadier av förfall, men även om hälften av det kan samlas in och begravas, det ger en betydande lättillgänglig kolsänka.

förslaget är att (1) samla döda träd på skogsbotten och (2) selektivt logga levande träd. Därefter begravs trädstammarna antingen i skyttegravarna som grävs på skogsbotten (begravning) eller lämpliga deponier, eller stockar staplade ovanför marken skyddade bort från regn (Fig. 3). Det begravda trämaterialet kommer att ha betydligt längre uppehållstid och det överför effektivt kol från en relativt snabb sönderdelande pool (cirka 10 år) till en mycket långsammare kolpool (100-1000 år eller längre). I fallet med (1) minskar den en del av den heterotrofa andningen och är därmed en omedelbar effektiv kolsänka. När det gäller (2) är den efterföljande återväxten i de ’luckor’ som lämnas av trädskärning en kolsänka, som skulle bero på återväxthastigheten. I praktiken skiljer sig (1) och (2) förmodligen inte mycket, eftersom fallna träd lämnar luckor för mindre träd att växa på ett sätt som liknar fallet (2).

kvantifiera kolbindningspotentialen

1 hållbar diskbänk av trädavlägsnande (begränsad av tillväxthastighet)

för att kvantifiera storleken på denna potentiella kolsänka användes den globala dynamiska vegetationen och markbundna kolmodellen VEGAS. Medan modellen simulerar hela terrestrisk kolcykel diskuteras endast kolpooler och flöden som är relevanta för syftet här. Simuleringen omfattade inte jordbruksmark, så uppskattningarna kommer att vara potentiella priser. Modellen drevs av modern observerad klimatologi med säsongscykler av nederbörd, temperatur, solsken, vindhastighet och ångtryck. Simuleringen kördes fram till konvergens i ett stabilt tillstånd där trädtillväxten balanseras av dödligheten.

den modellerade globala NPP är 57 GtC y-1, varav 19 GtC y-1 går in i dött blad, 17 GtC y-1 i dött trä och 21 GtC y-1 till döda rotstrukturer. Eftersom fint trä (kvistar och små grenar) sönderdelas snabbt, är svårare att hantera (dyrare att städa upp bladen, etc.), och kan uppta mer begravningsutrymme, kommer endast grovt trä att betraktas som lämpligt för begravning. Skogsbrukslitteratur skiljer i allmänhet mellan fint och grovt träigt skräp, vanligtvis med 10 cm stamdiameter för att separera de två klasserna. Tyvärr är det relativa bidraget till den totala trädöden från fint och grovt trä svårt att kvantifiera, delvis på grund av den olika livslängden (mindre stjälkar har i allmänhet kortare livslängd än hela trädet). Det är ibland oklart hur dessa pooler och flöden definieras och vad de rapporterade siffrorna representerar i skogslitteraturen. Jag betecknar sålunda något godtyckligt bötesförhållandet mellan dödsgraden och 7: 10 så att grovträdödligheten är 10 GtC y-1.

den rumsliga fördelningen av grov trädödlighet visas i Fig. 4. Den högsta andelen finns i den tropiska regnskogen som Amazonas och Kongobassängerna, följt av tempererade och boreala skogar. Det faktum att den rumsliga fördelningen av trädödligheten liknar produktionen (NPP) är inte förvånande eftersom dödsgraden i stor utsträckning följer tillväxttakten. Varje regional avvikelse från det globala genomsnittliga fördelningsförhållandet mellan de tre poolerna (blad:trä:rot = 19:17:21) är resultatet av plantfunktionell typ (PFT) och klimatberoende kolallokeringsstrategi. Sådana avvikelser är inte mer än 10-20% i denna modell.

kolbindningspotentialen för grovt trä för olika geografiska regioner anges i Tabell 1. Den tropiska skogen har en 4,2 GtC y-1 kolbindningspotential, tempererad skog har 3,7 GtC y-1, medan den boreala regionen har 2,1 GtC y-1. Eftersom modellen endast tar hänsyn till potentiell vegetation (inget jordbruk) kan de tempererade regionerna ha betydligt mindre potential.

i regional skala (Tabell 2) har Sydamerika en kolbindningspotential på 2, 3 GtC y-1, med stort bidrag från Amazonas regnskog. Afrika följer med 1.9 GtC y-1. Ryssland har en potential på 1,2 GtC y-1 på grund av sin vidsträckta boreala skog. Den conterminous USA har en potential av 0.8 GtC y – 1 med dess omfattande bredbladiga och blandade skogar längs östkusten och söder och det bergiga väst. Kanada har en 0,7 GtC y-1 potential från sina blandade och boreala skogar. Av 0.9 GtC y-1-potentialen för Kina kan förmodligen bara en bråkdel realiseras eftersom mycket av landets skogar länge har omvandlats till åkermark. Ett framgångsrikt återplanteringsprogram kan dock öka storleken på denna fraktion.

den grova trädödligheten som beräknas av modellen är resultatet av växtfunktionstyp och klimatberoende kolallokeringsstrategi som inte är väl begränsad i nuvarande generation av globala vegetationsmodeller . Observationer om denna kolpool och dess omsättningshastighet har i allmänhet saknats. Ändå har viss forskning betonat vikten av denna kolpool. Använda observerade och uppskattade genomsnittliga träddödlighetstal och extrapolera punktdata med global distribution av biomassa, Harmon et al. uppskattade produktionshastigheten för grova träiga skräp till 2-11 GtC y-1, med osäkerhetsområdet som kommer från trädets livslängd. Baserat på, Matthews uppskattade 6 GtC y-1 som grov woody skräp produktionshastighet. En jämförelse anges i tabell 3. Således VEGAS modell resultatet är inom räckhåll för men på den höga sidan. En av anledningarna kan vara att jämviktssimuleringen av VEGAS innebär att de modellerade skogarna har nått ett stabilt tillstånd, dvs de är mogna skogar, medan de data som används inkluderar skogar i olika åldrar. Eftersom yngre skogar tenderar att ha lägre dödlighet än gamla skogar, kommer dessa unga skogar att ha högre potential i framtiden när dödligheten ökar mot mognad. Med tanke på de många okända i båda metoderna kommer jag att tilldela en faktor 2 osäkerhet till 10 GtC y-1-modelluppskattningen, dvs ett intervall på 5-15 GtC y-1.

vid uppskattningen av 10 GtC y-1-potentialen antog jag naturlig vegetation, som i sig skulle vara en överskattning eftersom en del av det potentiella skogsområdet har omvandlats till åkermark. Eftersom det nuvarande världsskogsområdet är 3 gånger det för åkermark, och en betydande del av åkermark motsvarar potentiell gräsmark och till och med öken snarare än potentiell skog, är graden av överskattning blygsam. Å andra sidan kan den faktiska potentialen vara högre på grund av andra faktorer som selektiv skärning (nedan), plantering av snabbväxande trädslag och begravning av mindre trä. Dessutom kommer återskogning, avskogning och klimatförändringar i framtiden att komplicera alla försök till en exakt uppskattning inklusive markanvändning. Således gjordes valet att använda potentiell vegetation här.

2 Engångspotential från befintliga grova träiga skräp

som ett arv från tidigare träddöd har en betydande mängd död ved samlats i världens skogar i olika förfallssteg (Fig. 5). Jag använde modellen VEGAS för att simulera denna döda trä pool och uppskattade globala grova woody skräp att vara 130 GtC, något större än uppskattningarna av 75 GtC av , men inom intervallet 60-232 GtC uppskattas av . Dessa siffror kan verka stora eftersom relativt liten uppmärksamhet har ägnats åt denna kolpool, men de är inte överraskande stora mot bakgrund av de 390 GtC som lagras i världens skogsvegetationsbiomassa (mestadels trä; ). Eftersom trä i senare förfall inte är lämpligt för begravning (också mindre sannolikt att ingå i skogsinventeringsstudier), även om hälften av denna pool är lämplig för begravning, är det fortfarande 65 GtC tillgängligt för sekvestrering. Det rumsliga mönstret (Fig. 5) visar en något annorlunda fördelning från produktionshastigheten med högre värden i tempererat och borealt område främst på grund av den långsammare sönderdelningshastigheten vid lägre temperatur.

implikationen av denna stora befintliga kolpool är att i det inledande skedet av träbegravning kommer mer än den hållbara hastigheten på 10 GtC y-1 uppskattad ovan att finnas tillgänglig.

3 förbättra den hållbara hastigheten genom selektiv kapning av levande träd

10 GtC y-1 död vedproduktion kan också förbättras genom aktiv skogsförvaltning. Istället för att vänta på att träden ska dö kan man också skörda relativt mogna träd via tekniker som selektiv skärning. Vid första anblicken verkar detta vara en kolkälla eftersom levande träd tar upp CO2. Men om träd väljs korrekt kan det leda till en övergripande diskbänk eftersom yngre skog tenderar att vara mer produktiv, och någonstans i utvecklingsstadiet överstiger produktiviteten avsevärt andning och nedbrytningsförlust . Eftersom de mindre produktiva träd som inte gör det bra konkurrerar om ljus och andra resurser, kommer deras borttagning att lämna yngre träd att växa mer kraftfullt i luckorna och bilda en netto kolsänka. I en jämn åldrig skog är självförtunning ett viktigt steg i den sekundära successionen där en stor del av unga träd dör för att vika för andra träd. I detta fall kan mycket yngre träd selektivt skäras eller samlas efter döden.

implementeringsstrategi

genomförandet av ett träbegravningssystem kommer att innebära tre stora steg:

1. (1)

   möjliggör tillgång till skogen om den inte redan finns på plats;

2. (2)

   platsval, grävning av dike för begravning eller byggande av ett skydd för lagring över marken;

3. (3)

   selektiv trädskärning eller insamling av dött trä följt av trimning, förkortning och begravning eller lagring, upprepas med lämpligt returintervall.

Jag föreställer mig ett nätverk av vägar och stigar som tillåter maskinåtkomst och diken som distribueras med ett mer mindre enhetligt avstånd. Till exempel skulle ett område på 1 km och 1 km (100 hektar) ackumulera cirka 100 ton kol per år för en typisk grov träproduktionshastighet på 0,1 kgC m-2 y-1 (Fig. 4). Vid ett returintervall på 5 år skulle varje dike begrava 500 ton kol (cirka 1000 ton torr trämassa). Om man antar en 0,5 ton torrsubstans per kubikmeter och försummar något utrymme mellan stockarna, skulle den erforderliga volymen vara 2000 m3. Om högen är begravd under 5 meter jord, kan diket ha måtten 10 m 10 m 10 m 25 m (Fig. 6). Ytan skulle vara 100 m2, endast 0.01% av träuppsamlingsområdet, så störningen skulle vara liten. Jord kommer att fylla utrymmet mellan stockar och ovan och tillåtas att bosätta sig. Vegetation kan tillåtas växa tillbaka naturligt på begravningsplatserna. Selektiva platser kan övervakas för förfall av det begravda träet. Figurerna 3 och 6 illustrerar dessa förfaranden.

den faktiska grävstorleken och fördelningen måste balansera flera faktorer som kostnaden för att gräva dike, transportera dödved, minimera störningar i skogen och välja den plats som mest effektivt förhindrar sönderdelning. Begravning på plats föredras när det är möjligt för att minimera transportkostnaderna. Transport kan behövas där marken är för grunt för att gräva diken med tillräckligt djup. Eftersom markförhållandena kan variera kraftigt även inom ett litet område, såsom variation i markfuktighet i samband med topografi, måste man ta hand om platsvalet.

beroende på ackumulering av döda trä och sönderfallshastigheter kan denna process upprepas med några (1-10) år, men begravningsplatserna kommer att vara olika varje gång. Huvudkriteriet för att välja returintervall kommer att vara en balans mellan kostnaden för varje operation och behovet av att inte låta de döda träden ruttna bort. Om selektiv skärning är huvuddriftsläget så att det finns liten naturlig träddöd (träd skärs innan de dör), kommer den dominerande faktorn att vara densiteten hos lämpliga träd att ta bort. När det gäller plantage kan det vara en bra strategi att rensa små sektioner (gruppskärning) för sin låga kostnad, så att träd kan växa tillbaka som sekundär följd.

jämfört med ovan jord skydd Lagring, dike begravning är ett bättre val för fallna träd som de är vanligtvis redan i processen för nedbrytning, så de är mindre användbara som virke. Å andra sidan, skydd Lagring bevarar virke för enkel användning bör framtida efterfrågan ökar.

tekniken som krävs för att samla eller selektivt klippa träd är lågteknologisk och har funnits i tusentals år. De flesta moderna storskaliga avverkningar görs av maskiner på många ställen som Europa och Nordamerika. Vägsystemet för tillträde finns redan på plats i många av dessa regioner, till exempel det amerikanska Skogsvägssystemet. Hälften av världens skogar ligger redan inom 10 km och tre fjärdedelar ligger inom 40 km från större transportinfrastruktur . Eftersom det inte finns några större tekniska hinder kan ett sådant system genomföras nästan omedelbart i en betydande del av dessa regioner. Till exempel är en vanlig praxis i nordamerikanskt skogsbruk att anställa privata skogsföretag med olika driftsskalor för att skära träd på privat eller offentlig mark, vilket möjliggör flexibilitet att hantera skogar av olika storlekar och förhållanden. Även om för närvarande intensivt förvaltade skogar har lite dött trä omedelbart tillgängligt för begravning, håller deras långsiktiga potential fortfarande.

ett sådant distribuerat system kan drivas med lite statligt ingripande förutom övervakning, så länge som ekonomiskt incitament tillhandahålls genom system som koldioxidhandel. I Nordamerika är mycket av skogsmarken privatägt. Potentialen för kolbindning kommer att ha en positiv inverkan på skogsindustrin och många markägare och ekonomin i många regioner. Redovisning och övervakning av kolsänkorna kan göras av certifierade ingenjörer när loggningsföretag återvänder för varje skörderunda. Detta kan kompletteras med storskaliga övervakningssystem som virvelkorrelationsflödesmätning , källa/sink-inversion med hjälp av atmosfäriska CO2-mätningar med hjälp av framtida satellit CO2-observationer . Den vidsträckta boreala skogar i Kanada och Eurasien är endast delvis tillgängliga och i stort sett ohanterade för närvarande, men infrastruktur som vägar kan byggas relativt snabbt i de berörda länderna.

om en stor del av den uppskattade 10 GtC y-1-kolbindningspotentialen ska utnyttjas, kommer nästan alla världens skogar att behöva förvaltas. Då skulle en huvudfråga vara tillgängligheten till de avlägsna skogsområdena. För det första kommer extremt branta bergsområden eller boggy våtmark att vara svåra att komma åt. För det andra finns det praktiskt taget inga vägar till de djupa tropiska skogarna. Dessutom kommer ett förslag om att bygga ett nätverk av vägar i hjärtat av en regnskog att ge upphov till stora miljöhänsyn, såsom förlust av biologisk mångfald. Å andra sidan kommer ekonomiska incitament att fortsätta att stimulera sådan vägutbyggnad. Även i detta fall måste frågan om brottsbekämpning för olaglig avskogning och mer breda styrningsfrågor först säkerställas innan länder i dessa regioner når en punkt utan återvändo. I den närmaste framtiden är en fördelaktig praxis att begrava snarare än att bränna träden i regionerna med pågående avskogning.

om kärnorna i de tropiska regnskogarna ska lämnas intakta, vilket står för cirka 20% av den totala kolbindningspotentialen (hälften av den tropiska regnskogen; Tabell 1), sekvestrering i de återstående tropiska, tempererade och boreala regionerna ger fortfarande en diskbänk på 8 GtC y-1. Svårigheter att komma åt branta terräng där skogar vanligtvis är bättre bevarade kommer att ytterligare minska detta antal. I själva verket, ger kostnaden för vägbyggen och miljöhänsyn, det är önskvärt att hantera mer effektivt en mindre del av de tillgängliga skogarna genom metoder såsom selektiv skärning eller begrava en del av de finare vedartade skräp, än att störa en större fraktion vid lägre per ytenhet kol kvarstad hastighet.

kostnad

omfattningen av klimatförändringsproblemet dikterar att någon begränsningsstrategi, oavsett om den är alternativ energikälla, kolbindningsteknik eller geoteknisk strategi, måste vara kostnadseffektiv när den drivs i stor skala. Data från den amerikanska skogsindustrin tyder på att en typisk kostnad för att skörda 1 ton virke är ungefär $20 . Eftersom virke bara är en del av det grova träiga materialet som kan begravas, vilket jag antar är cirka 50% mer än virke (det finns betydande mängd mindre grenar jämfört med stammen). I den andra riktningen, med tanke på att virke innehåller lite vatten och att växtmassan är cirka 50% kol, kan kostnaden vara $40 per ton sekvestrerat kol. Detta skulle vara högre om kostnaden för grävning, vägbyggnad och underhåll ingår. Jag kommer således att sätta kostnaden på $50 för 1 tC (ton eller 106 gram kol) sekvestrerad, med ett osäkerhetsområde på $25–$100/tC.

det är upplysande att jämföra detta med kraftverk CO2-fångst och geologisk lagring (CCS; Tabell 4), en strategi som har varit under intensiv studie . Kostnaden för$50/tC ($14/tCO2) för träbegravning är lägre än $ 20-270 / tCO2 för kraftverk CCS. Det stora utbudet i kraftverk CCS beror på den ökande kostnaden när billigt tillgängliga gamla gruvor tar slut. När det gäller träbegravning finns det ingen praktisk begränsning av lagringskapaciteten. En stor kostnad för industriell CCS är att fånga CO2 från influensagas, medan träbegravning är fri luftfångning med nästan noll kostnad eftersom det görs genom den naturliga processen för fotosyntes.

det är också intressant att jämföra denna kostnad med det banbrytande EU: s utsläppshandelssystem (EUETS) carbon cap-and-trade-marknadspris. EUETS-priset har fluktuerat mellan 1-33/tCO2 för 2005-2007. I jämförelse har det frivilliga Chicago Climate Exchange (CCX) priset varit runt $3-4/tCO2. Även om träbegravningskostnaden är något högre än det nuvarande marknadspriset förväntas framtida klimatreduceringspolitik leda till högre priser på kol. När de implementeras på global skala kommer många faktorer att variera från plats till plats, såsom teknik och arbetskraftskostnader. Det billigaste blir de skogar som redan är under intensiv förvaltning där vägar och maskiner finns på plats. Priset kan öka när den totala arealen av skogar som används på detta sätt ökar. Driften av maskiner kommer att förbruka lite fossilt bränsle och släppa ut CO2. Dessa faktorer måste utvärderas.

Driftsskala

även om endast hälften av den beräknade potentialen (5 GtC y-1) utförs under de närmaste decennierna, säg 2050, skulle omfattningen av en sådan världsomspännande operation vara enorm, vilket illustreras i scenariot nedan.

om varje dike har en kapacitet på 500 tC (exempel i Fig. 6), Då skulle antalet diken som behövs för en 5 GtC y-1-sekvestreringshastighet vara 10 miljoner per år, dvs en Dike var 3: e sekund. Förutsatt att det tar ett besättning på 10 personer (med maskiner) en vecka att gräva en gräv, samla/skära och begrava trä över ett 100 hektar stort område, skulle 200 000 besättningar (2 miljoner arbetare) och uppsättningar maskiner behövas. Denna uppskattning är visserligen förenklad och uppgiften kan vara ganska arbetsintensiv om den ska utföras i täta eller branta sluttande naturskogar.

omfattningen av en sådan operation kan vara svår att föreställa sig vid första anblicken, men den enorma omfattningen av CO2-problemet innebär att en effektiv begränsningsstrategi också måste vara i jämförbar skala. Den nuvarande hastigheten på 8 GtC y-1 koldioxidutsläpp för fossila bränslen motsvarar 250 tC per sekund. Eftersom kolinnehållet i trä är ungefär detsamma som i fossilt bränsle, om träbegravning ska motverka fossilbränsleutsläppet (som det skulle kunna göra), måste hastigheten (i termer av massa eller volym) som vi begraver Trä vara jämförbar med den hastighet vi bränner fossilt bränsle. Om träbegravning används som en del av en portfölj kan operationen skalas ner i enlighet därmed.

sannolikheten för denna operation kan lättare förstås ur ekonomisk synvinkel. En $50 / TC kostnad för träbegravning motsvarar $ 250 miljarder per år vid en 5 GtC y-1 sekvestreringshastighet. Detta är bara 0.5% av världens totala bruttonationalprodukt (BNP) på $48 trillion i 2006, jämfört med den beräknade 5-20% BNP potentiella ekonomiska skador från klimatförändringar . Kostnaden för 250 miljarder dollar per år för 2 miljoner arbetare betyder 62 500 dollar per arbetare, förutsatt att hälften är för maskiner och andra kostnader. Uppenbarligen kan arbets-och maskinkostnader vara mycket olika i olika länder. De arbetstillfällen som verksamheten ger och andra positiva effekter på ekonomin kommer att vara attraktiva i många regioner, särskilt utvecklingsländerna.