Hiilinielu

Hiilinielu on mekanismi tai ekosysteemi, joka kerää ja varastoi jotakin hiiltä sisältävää kemiallista yhdistettä, yleensä hiilidioksidia. Tärkeimmät hiilinielut ovat meret ja metsät, joiden kummankin arvioitu sitovan ja varastoivan noin neljänneksen maailman hiilidioksidipäästöistä. 

Nielun hiilensidonnan tehokkuutta mitataan sillä, paljonko se poistaa hiilidioksidia tai hiilidioksidiekvivalentiksi muutettua kasvihuonekaasua, aerosolia tai kasvihuonekaasun esiastetta ilmakehästä. Siitä käytetään myös termiä negatiivinen päästö.IPCC, 2019: Annex I: Glossary [van Diemen, R. (ed.)]. In: Climate Change and Land: an IPCC special report on climate change, desertification, land degradation, sustainable land management, food security, and greenhouse gas fluxes in terrestrial ecosystems [P.R. Shukla, J. Skea, E. Calvo Buendia, V. Masson-Delmotte, H.-O. Pörtner, D. C. Roberts, P. Zhai, R. Slade, S. Connors, R. van Diemen, M. Ferrat, E. Haughey, S. Luz, S. Neogi, M. Pathak, J. Petzold, J. Portugal Pereira, P. Vyas, E. Huntley, K. Kissick, M. Belkacemi, J. Malley, (eds.)]. In press

Pääasiallisia luonnollisia hiilinieluja ovat meret sekä kasvit ja muut organismit, jotka käyttävät fotosynteesiä. Fotosynteesissä hiiltä siirtyy biomassaan ilmakehästä, jossa sitä on hiilidioksidin muodossa. Myös suot ja metsät sitovat hiiltä.

Globaalisti kasvillisuuden ja maaperän nielu (ns. maanielu) sekä merten nielu ovat yhteensä poistaneet noin puolet siitä hiilidioksidimäärästä, joka ilmakehään on fossiilisten polttoaineiden poltosta ja maankäytön muutoksista aiheutunut esiteollisen ajan jälkeen.Ciais, P., C. Sabine, G. Bala, L. Bopp, V. Brovkin, J. Canadell, A. Chhabra, R. DeFries, J. Galloway, M. Heimann, C.  Jones, C. Le Quéré, R.B. Myneni, S. Piao and P. Thornton, 2013: Carbon and Other Biogeochemical Cycles. In: Climate Change 2013: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fifth Assessment Report  of the Intergovernmental Panel on Climate Change [Stocker, T.F., D. Qin, G.-K. Plattner, M. Tignor, S.K. Allen, J  Boschung, A. Nauels, Y. Xia, V. Bex and P.M. Midgley (eds.)]. Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA. Nämä hiilinielut ovat voimistuneet ilmakehän hiilidioksidipitoisuuden nousun myötä. Maanieluun on vaikuttanut myös kasvukauden pidentyminen kylmillä seuduilla ja metsittyminen. 

Käsite hiilinielu on tullut laajaan tietoisuuteen ilmaston lämpenemistä koskevan keskustelun ansiosta.

 Meret hiilinieluna 
Valtameret peittävät noin 70 % maapallon pinta-alasta ja niihin on liuenneena noin 50 kertaa niin paljon epäorgaanista hiiltä kuin ilmakehään, eli noin 20 kertaa niin paljon kuin maaperään ja maalla kasvaviin kasveihin. Hiilidioksidin vuo merestä ilmakehään ja ilmakehästä mereen on suuri, ja siinä tapahtuu pieniä muutoksia geologisessa aikaskaalassa. Vuosien ja vuosikymmenten mittakaavassa muutokset liittyvät hiilidioksidin liukenemiseen meriveteen, mutta pitemmän aikavälin muutoksissa biologisilla prosesseilla on suurempi rooli. Epäorgaanista hiiltä poistuu meristä pikkuhiljaa sedimentoituvina suoloina, joita hiilidioksidi muodostaa kalsiumin tai magnesiumin kanssa.

Vuonna 2008 arvioitiin, että meriin absorboituu noin neljännes ihmisen tuottamasta hiilidioksidista, noin 2,3 miljardia tonnia hiilidioksidia. Hiilidioksidi muuttaa merivettä happamammaksi, jolloin sen absorptiokyky pienenee, ja vuosien mittaan merien teho hiilinieluna huononee. Merten nielun arvioidaan kuitenkin jatkuvan ainakin vuoteen 2100 saakka sitä suurempana mitä enemmän ilmakehässä on hiilidioksidia. 

Merten toimimista hiilinieluna on ehdotettu tehostettavaksi joko rautalannoitteiden avulla tai injektoimalla hiilidioksidia suoraan syvän meren alueille. Tämä voi aiheuttaa ennustamattomia häiriöitä ympäristössä. IPCC pitää merien lannoittamista ja hiilidioksidin sitomista kasvavaan fytoplanktonin massaan yhtenä mahdollisena tapana vähentää hiilidioksidin määrää ilmakehässä, mutta toteaa että ratkaisun ympäristövaikutuksia pitää tutkia lisää. Ei ole vahvaa näyttöä siitä että vaikka planktonin määrä saataisiin kasvamalla lannoittamalla vähäravinteisia merialueita, biologisesti sitoutunutta hiiltä vajoaisi syvyyksiin suuria määriä.

 Kasvillisuus ja maaperä hiilinieluna 

Kasvillisuus ja maaperä sitovat hiilidioksidia ilmakehästä kasvien nettoperustuotannossa. Mitä suurempi on nettoprimäärituotanto, sitä enemmän hiiltä sitoutuu ilman ihmisen ja luonnon aiheuttamia häiriöitä. Maaekosysteemit toimivat sekä hiilen lähteinä että nieluina. Vuosina 2007–2016 maataloudessa, metsätaloudessa ja muussa maankäytössä oleva maa-ala kokonaisuudessaan aiheutti arviolta 5,2 (±2,6) miljardin hiilidioksiditonnin (Gt CO2) nettopäästön vuosittain. Vastaavana ajanjaksona luonnontilaisten maaekosysteemien arvioitiin poistaneen noin 11,2 (±2,6) Gt CO2 vuodessa, vasteena ihmisen aiheuttamalle ympäristönmuutokselle, kuten ilmakehän hiilidioksidipitoisuuden nousulle, typpilaskeumalle ja ilmastonmuutokselle. Nettona maaekosysteemit poistivat vuosina 2007–2016 keskimäärin noin 6 (±2,0) Gt CO2 vuodessa.IPCC 2019. IPCC Special Report on Climate Change, Desertification, Land Degradation, Sustainable Land Management, Food Security, and Greenhouse gas fluxes in Terrestrial Ecosystems Summary for Policymakers Approved Draft, 07 August 2019. 

Kasvillisuuteen on sitoutunut arviolta 450 Gt hiiltä (~1 650 Gt CO2).Erb, K. H., Kastner, T., Plutzar, C., Bais, A. L. S., Carvalhais, N., Fetzel, T., ... & Pongratz, J. (2018). Unexpectedly large impact of forest management and grazing on global vegetation biomass. Nature, 553(7686), 73. Se on suuruusluokaltaan saman verran kuin hiiltä on ilmakehässä. Ihminen on toiminnallaan pienentänyt kasvillisuuteen sitoutuneen hiilimäärän arviolta puoleen. Maaperässä on ainakin kaksinkertainen määrä hiiltä ilmakehään verrattuna.

 Metsien hiilinielu 
Metsien hiilivarantoon sisältyy puusto ja maaperä. Maailman metsissä on hiiltä arviolta noin 800 Gt (n. 3 000 Gt CO2).Pan, Y., Birdsey, R. A., Fang, J., Houghton, R., Kauppi, P. E., Kurz, W. A., ... & Ciais, P. (2011). A large and persistent carbon sink in the world’s forests. Science, 333(6045), 988-993. Suurin osa metsiin sitoutuneesta hiilestä on maaperässä.

Metsät toimivat yleensä hiilinieluna 15–800-vuotiaina.Luyssaert, S., Schulze, E. D., Börner, A., Knohl, A., Hessenmöller, D., Law, B. E., ... & Grace, J. (2008). Old-growth forests as global carbon sinks. Nature, 455(7210), 213. Puuston hiilinielu on voimakkaimmillaan silloin kun puuston kasvu on suurimmillaan. Metsien hiilinielu voi kuitenkin jatkua puustosta tulevan karikesyötteen ja juuriston kautta vielä pitkään sen jälkeen, kun puuston hiilinielu on hiipunut. Globaalisti metsien hiilinielu on ollut 2000-luvulla noin 7–10 Gt CO2 vuodessa. 

Metsien hiilinielun kehitys tulevaisuudessa on hyvin epävarma. Mikäli lämpötilan ja ilmakehän hiilidioksidipitoisuuden nousu lisää fotosynteesiä, joka sitoo hiilidioksidia enemmän kuin kasvien hengitys sitä vapauttaa, saattaa metsien hiilinielu voimistua noin viisinkertaiseksi nykytasosta. Toisaalta jos kasvien hengitys lisääntyy fotosynteesiä suuremmaksi, saattavat metsät muuttua jopa 22 Gt CO2 vuotuiseksi päästölähteeksi.Bellassen, V., & Luyssaert, S. (2014). Carbon sequestration: Managing forests in uncertain times. Nature News, 506(7487), 153.

Suomessa metsät ovat toimineet kasvihuonekaasujen nettonieluna jo vuosikymmenten ajan.Liski, J., Lehtonen, A., Palosuo, T., Peltoniemi, M., Eggers, T., Muukkonen, P., & Mäkipää, R. (2006). Carbon accumulation in Finland's forests 1922–2004–an estimate obtained by combination of forest inventory data with modelling of biomass, litter and soil. Annals of Forest Science, 63(7), 687–697. Suomen metsiin nettona sitoutuva hiilimäärä on viime vuosikymmeninä vastannut noin 20–50 % Suomen vuotuisista kasvihuonekaasupäästöistä.Tilastokeskus 2019. Suomen kasvihuonekaasupäästöt 1990–2018. https://www.stat.fi/static/media/uploads/tup/khkinv/yymp_kahup_1990-2018_2019_19740_net_p2.pdf Metsien hiilinieluissa epävarmuus on kuitenkin verrattain suuri. Suomen metsänielun epävarmuudeksi arvioidaan noin ±30 %.Statistics Finland (2019) GREENHOUSE GAS EMISSIONS IN FINLAND 1990 to 2017. National Inventory Report under the UNFCCC and the Kyoto Protocol. 15 April 2019.

Arviot Suomen metsien tulevasta hiilinielusta vaihtelevat runsaasti, vuoden 2050 tasossa jopa luokkaa 100 Mt CO2. Arvioihin vaikuttaa erityisesti oletukset puuston kasvun ja hakkuumäärien kehittymisestä. Mallilaskelmien mukaan vuosittaisen hakkuutason lisäys 1 miljoonalla kuutiometrillä pienentää metsien hiilinielua n. 0,9–1,7 Mt CO2/Mm3 hakkuutason ollessa välillä 40–80 Mm3 vuodessa. Kalliokoski, T., Heinonen, T., Holder, J., Lehtonen, A., Mäkelä, A., Minunno, F., Packalen, T., Peltoniemi, M., Pukkala, T., Salminen, O., Schelnaas, M.J., Vauhkonen, J., Kanninen, M. 2019. Skenaarioanalyysi metsien kehitystä kuvaavien mallien ennusteiden yhtäläisyyksistä ja eroista. Suomen ilmastopaneeli 2/2019. https://www.ilmastopaneeli.fi/wp-content/uploads/2019/02/Ilmastopaneeli_metsämallit_raportti_180219.pdf 

 Hiilinielut kasvihuonekaasujen raportoinnissa 
Maat raportoivat ihmistoiminnasta aiheutuvat vuosittaiset kasvihuonekaasupäästönsä ja -poistumansa YK:n ilmastosopimukselle. Kansainvälisesti on sovittu, että biomassan polton CO2-päästöt lasketaan energiasektorilla nollana ja maankäyttösektorilla raportoidaan eri maankäyttöluokkien ja puutuotteiden hiilivaraston muutokset. Näin kaikki maankäyttöön liittyvät hiilen virrat tulevat lasketuksi ilmakehän kannalta oikein. Mikäli metsien tai puutuotteiden hiilivarasto kasvaa, raportoidaan nämä varastonmuutokset poistumina.

 Hiilinielut ilmastopolitiikassa 
Hiilinieluilla on toistaiseksi ollut rajallinen rooli ilmastopolitiikassa. Vuoteen 2020 saakka voimassa olevassa Kioton pöytäkirjassa hiilinielujen hyödyntäminen on ollut rajoitetussa määrin mahdollista valtiokohtaisten kasvihuonekaasupäästöjä koskevien velvoitteiden täyttämisessä. Toisaalta hiilinielun pienenemisestä ei myöskään ole aiheutunut lisärasitetta ilmastovelvoitteiden täyttämisessä.

Pariisin ilmastosopimuksessa nielujen rooli korostuu, sillä sopimukseen on kirjattu tavoite saavuttaa kuluvan vuosisadan jälkipuoliskolla tila, jossa ihmisperäiset kasvihuonekaasupäästöt ja ihmistoimin aikaansaadut nielut ovat globaalisti tasapainossa. Fuglestvedt, J., Rogelj, J., Millar, R.J., Allen, M., Boucher, O., Cain, M., Forster, P.M., Kriegler, E. and Shindell, D., 2018. Implications of possible interpretations of ‘greenhouse gas balance’in the Paris Agreement. Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences, 376(2119), p.20160445.

EU:ssa maankäyttösektori kytketään vuosia 2021–2030 koskeviin ilmastovelvoitteisiin niin sanotun LULUCF-asetuksen [(EU) 2018/841] kautta. Laskentaan sisältyvät metsistä, viljelysmaasta, ruohikkoalueista sekä metsityksestä ja metsien siirtymisestä muuhun maankäyttöön (metsäkato) aiheutuvat päästöt ja poistumat. Lisäksi kosteikkojen päästöt ja poistumat raportoidaan kaudella 2021–2025 sekä sisällytetään LULUCF-sektorin laskentaan kaudella 2026–2030. Eri maankäyttöluokille käytetään erilaisia laskentasääntöjä.  LULUCF-asetuksen tavoitteena on varmistaa, ettei maankäyttösektori aiheuta laskennallisia päästöjä ja siten heikennä EU:n ilmastopolitiikan kunnianhimoa. Lisäksi tavoitteena on varmistaa, että biomassan päästöt tulisivat lasketuksi tarkoituksenmukaisesti maankäyttösektorilla, koska ne lasketaan kansainvälisten käytäntöjen mukaisesti nollana energiasektorilla.

 Hiilen erottelu ilmakehästä teknologian avulla 
Teknologian merkitys hiilen poistamisesta ilmakehästä voi tulevaisuudessa olla suuri, mutta ratkaisuja on erilaisia ja kokonaisuutena teknologia on vielä hyvin varhaisessa kehitysvaiheessa. Monia keinoja ilmastonmuutoksen hillitsemiseksi keinotekoisesti käyttäen erilaisia hiilidioksidin talteenottomenetelmiä tai parantamalla luonnollisia prosesseja on tutkittu. Yksi tutkimuskohteista on hiilidioksidin geologinen varastointi.

 Lähteet 

 Aiheesta muualla 
 Hiilen erottamisen ja talteenoton mahdollisuudet 
 Ilmastonmuutos.infon lyhyt tietopaketti 
 Hiilinielut ja hiilivarastot  (PDF)
 Puusto hiilinieluna 
 Forest.fi: Hiilen varastointi metsään voi olla haitallista 
 Ilmastopolitiikan perustuttava tietoon, HS Mielipide 28.11.2008
HS:n artikkeli hiilineutraalista Suomesta vuonna 2035 julkaistu 19.1.2019

Luokka:Ilmastonmuutos
Luokka:Hiili