Artikkelit jotka sisältää sanan 'optimization'

Metsäbiomassan hankinnalla on tärkeä asema erilaisten puupohjaisten tuotteiden arvoketjuissa, ja myös sen ympäristövaikutukset ovat usein merkittäviä. Biomassan toimitusketjujen suorituskykyä voidaan arvioida eri yhteyksissä erilaisilla metodologisilla menettelytavoilla, joissa arvioinnin kohde joko on tai ei ole sidottu maantieteelliseen sijaintiin. Tämän väitöskirjan tarkoituksena oli selvittää, millaista paikkatietoa tarvitaan ja on saatavilla tapauskohtaisiin metsäbiomassojen toimitusketjujen analyyseihin Suomessa, ja millainen on sopiva spatiaalisen tarkkuuden taso eri tarkastelutapoja ja menetelmiä käytettäessä. Työ koostuu viidestä osajulkaisusta, joista yhdessä tarkastellaan eri maantieteellisissä ympäristöissä eri puolilla maailmaa tehtyjä tutkimusalan tapaustutkimuksia. Loput neljä osajulkaisua ovat spatiaalisia tapaustutkimuksia metsäbiomassan toimitusjärjestelmistä Suomessa. Näistä kolme keskittyy biomassaan energiantuotannon raaka-aineena ja yksi uuteen kuitupuun kuljetuskonseptiin. Yhdessä tutkimuksessa paikkatietojärjestelmää käytettiin pääasiallisena tutkimusvälineenä, kun taas kolmessa tutkimuksessa paikkatietojärjestelmän tehtävänä oli tuottaa spatiaalisesti analysoitua tietoa toimitusketjujen elinkaariarvioinnin ja agenttipohjaisen simuloinnin lähtötiedoiksi. Tärkein johtopäätös on, että suomalaisia metsäbiomassan toimitusjärjestelmiä mallinnettaessa riittää spatiaalinen tarkkuus 1 km ja 10 km väliltä, jolloin jokainen toimitusketjun lähtöpiste edustaa noin 1–100 km² kokoista aluetta. Lopullinen tarkkuus olisi määritettävä tapaustutkimuksen rakenne, toimitusjärjestelmän monimutkaisuuteen johtavat tekijät ja tutkimusalueen maantieteellinen laajuus huomioiden. Suomessa toimitusketjujen tutkimuksessa tarvittavaa korkealaatuista ja tarkkaa paikkatietoa on moneen muuhun maahan verrattuna hyvin saatavilla. Paikkatietopohjaista tutkimusta voitaisiin edelleen parantaa lisäämällä paikkatietomalleihin dynaamisia ominaisuuksia ja stokastisuutta, koska raaka-aineen kysynnän ja tarjonnan ajallinen vaihtelu tulee todennäköisesti lisääntymään tulevaisuudessa.

• Korpinen, University of Eastern Finland, Faculty of Science and Forestry, School of Forest Sciences Sähköposti: olli-jussi.korpinen@lut.fi

Tässä väitöskirjassa tutkitaan jaksollisen ja jatkuvapeitteisen metsänhoidon taloudellista kannattavuutta kuviotasolla. Päämenetelmänä on taloudellis-ekologinen optimointi, jossa tilastollis-empiirinen kokoluokkarakenteinen ekologinen malli yhdistetään taloudelliseen optimointimalliin, joka sisältää optimoinnin jaksollisen ja jatkuvapeitteisen metsänhoidon välillä. Väitöskirja koostuu yhteenveto-osasta ja kolmesta tutkimusartikkelista. Ensimmäisessä tutkimusartikkelissa vertaillaan jatkuvapeitteisen metsänhoidon taloudellista kannattavuutta kuusen (Picea abies (L.) Karst.) ja männyn (Pinus sylvestris L.) välillä sekä ekologisten kasvumallien vaikutusta optimituloksiin. Toisessa tutkimusartikkelissa tutkitaan sekametsiä sisällyttäen malliin samanaikaisesti jopa neljä puulajia. Kolmannessa tutkimusartikkelissa tutkitaan arktisen metsänhoidon taloutta saamelaisten kotiseutualueella soveltaen optimointimallia, joka sisältää samanaikaisesti niin puuntuotannon, hiilensidonnan kuin metsätalouden negatiiviset ulkoisvaikutukset poronhoidolle.

Tulosten mukaan puulajien väliset erot jatkuvapeitteisen metsänhoidon taloudellisessa kannattavuudessa riippuvat suurelta osin puulajikohtaisista eroista luontaisessa uudistumisessa sekä ekologisten mallien välisistä eroista luontaisen uudistumisen kuvauksessa. Jatkuvapeitteinen metsänhoito on sovelletuilla malleilla ja realistisilla talousparametreilla taloudellisesti optimaalista kuuselle niin yhden puulajin kuin sekametsien tapauksissa. Mänty taas suosii jaksollista metsänhoitoa sekä yhden puulajin että sekametsien tapauksissa. Puulajisekoituksen tuotos kuutiometreissä ei paljasta kyseisen puulajisekoituksen taloudellista kannattavuutta. Väitöskirjassa osoitetaan taloudellisesti optimaalisen jatkuvapeitteisen metsänhoidon välttävän niin sanottua ”harsintaa”, joka johtaa täysin erilaiseen ja taloudellisesti heikompaan lopputulokseen. Metsätalouden poronhoidolle aiheuttamien negatiivisten ulkoisvaikutusten huomiointi suosii jatkuvapeitteistä metsänhoitoa arktisissa mäntymetsissä. Jo 14–20 €/tCO₂ hiilen hinnasta seuraa, että vanhojen metsien käyttö hiilivarastoina ja porolaitumina tulee taloudellisesti optimaaliseksi.

• Parkatti, University of Helsinki, Faculty of Agriculture and Forestry, Department of Forest Sciences Sähköposti: vesa-pekka.parkatti@helsinki.fi

Kansainvälisiin ilmastotavoitteisiin pääseminen edellyttää metsien hiilinielujen vahvistamista. Tässä väitöskirjassa tutkitaan, miten hiilensidontaa voidaan lisätä muuttamalla metsänhoitoa. Toistaiseksi hiilensidonnan taloudellinen analyysi on rajoittunut yhden puulajin tasaikäisrakenteisiin metsiin. Väitöskirjassa kehitetään uudenlainen taloustiedettä ja ekologiaa yhdistävä mallikehikko, joka huomioi metsikön koko- ja puulajirakenteen sekä mahdollistaa valinnan jatkuvapeitteisen ja jaksollisen (päätehakkuisiin perustuvan) metsänhoidon välillä.

Ensimmäinen artikkeli esittelee optimointimallin, jossa kannattavinta metsänkäytön tapaa etsittäessä huomioidaan sekä puuntuotannon että hiilensidonnan taloudellinen arvo. Jälkimmäinen sisällytetään malliin hinnoittelemalla hiilidioksidin sitominen ja vapauttaminen. Mallilla ratkaistaan optimiohjausteoriaa hyödyntäen taloudellisesti kannattavin tapa harventaa metsää ja kiertoajan pituus eli kahden päätehakkuun välinen aika. Toisin kuin aiemmissa vastaavissa malleissa, tuottoisin kiertoaika voi olla ääretön, jolloin metsää kannattaa hoitaa jatkuvapeitteisenä päätehakkuun sijaan. Toisessa artikkelissa kysymystä tarkastellaan numeerisen laskennan keinoin kuusikoissa, sisällyttäen tarkka kuvaus metsänhoidon rahavirroista sekä hiilivarastoista elävissä puissa, lahopuussa ja puutuotteissa. Kolmannessa artikkelissa laskentakehikko laajennetaan monen puulajin metsiköihin. Puulajeihin kuuluvat kaupallisesti arvokkaiden kuusen ja koivun lisäksi myös muut lehtipuut, joilla ei ole kaupallista arvoa.

Väitöskirjassa osoitetaan, että hiilen hinnoittelun vaikutus metsän kannattavimpaan hoitotapaan riippuu korkokannasta ja nopeudesta, jolla hiili vapautuu puutuotteista hakkuiden jälkeen. Realistisilla oletuksilla hiilen hinnan nostaminen lykkää kannattavinta päätehakkuuhetkeä ja johtaa lopulta siihen, että on tuottoisinta siirtyä jaksollisesta jatkuvapeitteiseen metsänhoitoon. Harvennukset kannattaa poikkeuksetta kohdistaa kunkin puulajin suurimpiin kokoluokkiin. Hiilen hinnoittelu lykkää harvennuksia, minkä seurauksena sekä korjattavat että pystyyn jätettävät puut ovat suurempia. Ilman hiilen hinnoittelua kaikki kaupallisesti arvottomat muut lehtipuut kaadetaan jokaisen hakkuun yhteydessä. Kun hiilensidonnan arvo huomioidaan, osan näistä annetaan kasvaa suuriksi ennen kaatamista, mikä lisää puulajimonimuotoisuutta ja kuolleen puun määrää metsikössä. Tulosten mukaan maltillinen hiilen hinnoittelu tyypillisesti kasvattaa keskimääräistä puuntuotosta erityisesti tukkipuun osalta. Hiilensidonnan lisääminen metsänkäsittelyn muutoksilla paljastuu suhteellisen edulliseksi, varsinkin monen puulajin metsissä. Väitöskirja osoittaa, että ilmastokestävän metsätalouden tulee pohjautua monitieteiseen ymmärrykseen metsän ekologiasta, hoidosta ja taloudesta.

• Assmuth, University of Helsinki, Faculty of Agriculture and Forestry, Department of Forest Sciences Sähköposti: aino.assmuth@helsinki.fi

Välimeren alueella maaperän eroosioprosessit ovat yleisiä johtuen alueen ilmastosta, vaihtelevasta topografiasta sekä ihmisten pitkästä historiallisesta vaikutuksesta sekä intensiivisestä maankäytöstä. Metsillä on tärkeä suojaava rooli kamppailussa eroosiota sekä maaperän köyhtymistä vastaan. Tutkimus keskittyi i) arvioimaan metsätunnusten yhteyttä maaperän eroosioon metsissä, ja ii) sisällyttämään eroosioriski osaksi metsäsuunnittelua. Ensimmäinen tavoite keskittyi eroosion esiintymiseen mahdollisesti vaikuttavien tekijöiden, kuten metsän rakenteen ja koostumukseen, kasvupaikan sekä maankäytön tunnuksiin. Toinen tavoite oli sisällyttää eroosioriskin osaksi monitavoitteista metsäsuunnittelua. Aineistona käytettiin Espanjan kansallista metsä inventointi tietoa, joka sisälsi perinteisten puu ja koeala tietojen lisäksi maaperän eroosion havaintoja. Mallintamismenetelminä käytettiin luokittelupuu sekä logistisen regression analyyseja. Eroosioriskimallit kehitettiin sekä metsikkö että maisematasolle, lisäksi mallien avulla tuotettiin alueellisia todennäköisyyskarttoja. Lopuksi mallit integroitiin simulointi optimointi järjestelmään, jonka avulla eri metsänkäsittely vaihtoehtoja arvioitiin.

Tulosten mukaan eroosion esiintyminen metsikkötasolla oli yhteydessä metsätyyppiin sekä metsän rakenteeseen. Esimerkiksi eroosio riski oli kohonnut semiarid alueiden harvapuustoisilla rinteillä sekä toisaalta tiheissä Abies alba ja Facus sylvatica metsissä. Maisematasolla eroosioriskiä kasvattivat metsikön matala pohjapinta-ala, maaperätyyppien andisol ja cambisol esiintyminen, valuma-alueen suuri pinta-ala sekä kaltevuus, päällystämättömien teiden esiintyminen sekä kaupunkimaisen maankäyttömuodon kasvu. Kehitettyjen mallien avulla eroosioriski integroitiin metsikkötasolla monitavoitteisen metsäsuunnittelun tavoitteeksi yhdessä puuntuotannon ja rakenteellisen monimuotoisuuden kanssa. Tulokset osoittivat, että tarkasteltujen kolmen ekosysteemipalveluiden välillä on riippuvuuksia, jotka vaihtelevat rinteen kaltevuuden sekä kiertoajan mukaan. Tutkimuksen tulokset voivat auttaa eroosiolle alttiiden metsien tunnistamisessa Välimeren alueilla, jolloin eroosioriski ja sen pienentäminen voidaan ottaa huomioon metsäsuunnittelussa.

• Selkimäki, University of Eastern Finland, School of Forest Sciences Sähköposti: mari.selkimaki@uef.fi

Metsä uusiutuvana luonnonvarana tarjoaa mahdollisuuksia edistää biotaloutta, energiaturvallisuutta ja ympäristöhyötyjä. Väitöskirjan tavoitteena on analysoida metsäbiomassaan perustuvan bioenergiatuotannon kasvavaa potentiaalia (metanoli, Fischer Tropsch biodieseli, CHP) Suomessa. Tutkimuksessa sovellettiin spatiaalisesti täsmällistä, teknillis-taloudellista Mixed Integer Linear Programming (MILP) -mallia, jolla optimoitiin uusien bioenergian jalostusyksiköiden sijoituspaikkakuntia minimoimalla tuotantoketjun kokonaiskustannuksia. Samalla otettiin huomioon metsäresurssin tarjonta, teollisuuden kilpailutekijät ja energian kysyntä. Optimointimallin soveltamisen lisäksi toteutettiin Puolassa 210 maanviljelijän kyselytutkimus, jolla tunnistettiin keskeisiä yhteiskunnallisia parametrejä, joiden hyödyntäminen auttaa tulevaisuudessa optimoimaan tuotantoyksiköiden sijaintia, kun otetaan huomioon bioenergiatuotannon arvoketjun taloudelliset, ympäristöön liittyvät sekä yhteiskunnalliset näkökohdat.

Tutkimuksen tulokset tarjoavat investoijille ja päätöksentekijöille arvokasta tietoa, kun hahmotellaan energiaa koskevaa maantieteellistä suunnittelustrategiaa, ja kohdataan samalla nestemäisten liikennepolttoaineiden ja metsähakkeen osalta Suomen 2020 -luvun energiatuotannon tavoitteet. Mallin tulokset sisältävät kustannusperusteisesti optimaalisen laitospaikkakunnan, teknologiavalinnan, raaka-ainevarannon allokoinnin mukaan lukien tuontimahdollisuus, raaka-aineen tarjontaketjun, sivutuotteiden myyntitulot ja hiilidioksidipäästöjen vähenemisen. Malliparametrien herkkyystarkastelu osoitti, että investointikustannukset, konversiotehokkuus ja lämmön hintavaihtelut olivat yksikkövaikutuksien osalta merkittävimpiä parametrejä. Seuraavia vaikutusten merkittävyyden suhteen olivat raaka-aineen hinta, sähkön hinta, tuet ja kuljetuskustannukset. Havaitut parametrimuutokset epävarmoissa markkinaolosuhteissa, joita epävakaat politiikkatoimet ruokkivat, aiheuttaisivat tulevaisuudessa biopolttoaineisiin ja CHP-tuotantoon perustuvalle teollisuudelle merkittäviä haasteita niiden edistäessä metsäbiomassan käyttöä. Kyselytutkimus osoitti, että maanviljelijöiden halukkuus tarjota biomassaa saattaisi olla saatavuuden suhteen olennainen tuotannollinen varmuustekijä nestemäisten biopolttoaineiden tuotannolle ja CHP-teollisuudelle. Sosiaalisesti kattavien politiikkatoimien aikaan saaminen on siksi välttämätöntä pitkän aikavälin markkinavakautta ja tulevaisuuden menestymistä tavoittelevalle bioenergiateollisuudelle.

• Natarajan, University of Eastern Finland, School of Forest Sciences Sähköposti: karthikeyan.natarajan@uef.fi

Ilmasta tehtävä laserkeilaus on tehostanut metsänarviointia viime vuosikymmenten aikana, koska sen avulla voidaan tuottaa 3D-tietoa metsien rakenteesta. Tämä tutkimus keskittyy laserkeilauspohjaisen metsänarvioinnin ja metsäsuunnittelun integrointiin kun tavoitteena on luoda dynaamisia käsittelykuvioita (DTU, dynamic treatment units). Käsittelykuviot eivät ole kiinteitä ja ennalta määrättyjä, vaan ne muodostetaan yhdistämällä pienempiä laskentayksiköitä. Yhdistely suoritetaan metsänhoitotavoitteiden ja metsien dynamiikan perusteella. Tutkimus suoritettiin kahdessa mäntymetsässä Kastilian ja Leónin alueella Espanjassa, joilta kerättiin sekä maastomittauksia että laserkeilausaineistoa. Tämä väitöskirja sisältää neljä artikkelia jotka käsittelevät dynaamisten käsittelykuvioiden muodostamista (artikkelit I ja III), vaihtoehtoisten inventointiyksiköiden (FIU, forest inventory unit) vaikutuksia kun ongelma muotoillaan kahdella eri tavalla (artikkelit I, II ja IV), ja koealojen paikannusvirheiden vaikutuksia aina otantavaiheesta päätöksentekoon asti (artikkeli II). Puustotunnukset estimoitiin kaikissa artikkeleissa laserkeilauksen perusteella, ja läpimittajakaumia sekä metsikön dynamiikkaa kuvaavia malleja sovellettiin pysyvillä koealoilla havaittujen puustotunnusten muutoksen ennustamiseen. Simulointien lopputuloksena saatiin käsittelyketjuja, jotka pyrkivät maksimoimaan ei-spatiaalisia (artikkeli III) ja spatiaalisia (kaikki artikkelit) vastemuuttujia sisältävien hyötyfunktioiden arvoja. Tulokset osoittavat epäsäännöllisten inventointiyksiköiden tuottavan hyviä tuloksia ja korostavat segmentointimenetelmien avulla saatavia hyötyjä, kun tavoitteena on luoda kompakteja käsittelykuvioita. Spatiaalinen optimointi paransi metsäsuunnitelmissa tarvittavaa kuviointia ja lisäsi suunnittelun kustannuksia vain vähän verrattuna ilman spatiaalista optimointia laadittuihin suunnitelmiin. Spatiaaliset tavoitteet ja spatiaalisuuden huomioivat korjuukustannusfunktiot helpottavat inventointiyksiköiden koostamista kuvioiksi. Heuristiset optimointimenetelmät toimivat tehokkaasti kombinatoristen ongelmien ratkaisemisessa. Väitöskirja osoittaa kuinka laajasti käytettyjen laserkeilauspohjaisten menetelmien ja spatiaalisen optimoinnin yhdistäminen auttaa parempien metsäsuunnittelumenetelmien kehittämisessä.

• Pascual Arranz, University of Eastern Finland, School of Forest Sciences Sähköposti: adrian.pascual.arranz@uef.fi

Tässä väitöskirjassa tutkitaan taloudellisesti kannattavinta tapaa hyödyntää mäntymetsiköitä. Laskennassa määritetään optimaalinen metsikön alkutiheys, harvennushakkuiden optimaalinen ajoitus, lukumäärä, intensiteetti ja tyyppi (ylä- vai alaharvennus), sekä päätehakkuun ajankohta. Työssä käytetään tarkkoja uudistamis- ja hakkuukustannuksia sekä puutavaran laadusta riippuvia hintoja. Metsänomistaja saa tuloja paitsi puun myynnistä, myös hakkuutähteiden myynnistä bioenergiaksi sekä hiilen sitomisesta kasvavaan metsään. Jälkimmäinen tulo perustuu Uudessa-Seelannissa jo käytössä olevaan hiilitukijärjestelmään, jollaista on ehdotettu Suomeenkin. Väitöskirjan viimeisessä osassa otetaan huomioon muuttuvan ilmaston vaikutus puiden kasvuun.

Väitöskirjan optimointitulokset on ratkaistu monitieteisellä ekologis-taloudellisella mallilla. Mäntymetsiköiden kasvua yksityiskohtaisesti kuvaava prosessipohjainen ekologinen malli yhdistetään taloudelliseen kuvaukseen mäntypuustojen hoidon yksityiskohdista. Prosessipohjaisessa mallissa metsikön kasvu lasketaan hyödyntäen ekologista tietämystä puun yhteytystuotoksen jakaantumisesta puun eri toimintojen välillä. Tällainen malli tuottaa luotettavampia tuloksia kuin metsäkoealojen kasvun perusteella rakennetut tilastollis-empiiriset mallit, kun metsän kasvua arvioidaan ennen kokemattomissa metsän kasvuolosuhteissa tai kun metsää käsitellään uusilla käsittelyketjuilla ja toimenpiteillä.

Tulokset on määritetty erikseen kaikille Fennoskandian puuntuotannon kannalta olennaisille männyn kasvuolosuhteille. Tulosten perusteella vaikuttaa välttämättömältä, että käytössä on riittävän yksityiskohtainen malli, ja että kaikki metsänkäsittelyä määrittävät muuttujat (puuston alkutiheys ja hakkuuvalinnat) optimoidaan samanaikaisesti. Taloudellisiin optimiratkaisuihin vaikuttavat tulosten mukaan puuston kasvuolosuhteet, käytetty diskonttokorko, ja käytössä olevan hiilitukijärjestelmän tyyppi sekä tuen taso.

Hiilitukijärjestelmä muuttaa taloudellista optimiratkaisua hiilensidontaa lisäävään suuntaan mutta samalla puunmyyntitulot alenevat. Näitä hiilensidonnan kustannuksia tarkastellaan väitöskirjassa myös kansallisella tasolla mäntyvaltaisissa metsiköissä ja niitä verrataan hiilipäästöjen vähentämiskustannuksiin energiantuotannossa. Vertailusta käy ilmi, että Suomen mäntyvaltaisten metsiköiden hiilensidonnan lisääminen esimerkiksi hiilitukijärjestelmän avulla näyttää kustannustehokkaalta verrattuna päästöjen vähentämiseen talouden muilla sektoreilla.

Ilmastonmuutoksen myötä muuttuvat sekä metsiköiden kasvuolosuhteet että metsien taloudellisesti kannattavin käsittely. Metsänkäsittelyn sopeuttaminen muuttuvaan ilmastoon tuo merkittävän lisän metsänomistajan tuloihin.

• Pihlainen, University of Helsinki, Department of Forest Sciences Sähköposti: sampo.pihlainen@helsinki.fi

Tämä väitöskirja tutkii jatkuvapeitteisen metsänhoidon taloutta. Tutkimuksessa yhdistetään jatkuvapeitteisen metsänhoidon taloudellinen kuvaus metsien kasvua kuvaaviin empiirisesti estimoituihin kokoluokkarakenteisiin ja puukohtaisiin malleihin. Optimointiongelma ratkaistaan yleisessä muodossa käyttäen gradientteihin perustuvia sisäpistemenetelmiä. Tulosten riippuvuus ekologisista ja ekonomisista parametreista selvitetään herkkyysanalyysilla. Väitöskirja koostuu yhteenvedosta sekä neljästä artikkelista, joissa ratkaistaan taloudellisesti optimaalinen jatkuvapeitteinen metsänhoito yhden ja monen puulajin metsille. Tulokset esitetään optimaalisille harvennuksille ja puuston rakenteelle, sekä biodiversiteettirajoitteella että ilman. Lisäksi tutkitaan optimaalista transitiota eri alkutiloista kohti pitkän aikavälin tasapainotilaa, korkokannan ja harvennuskustannusten vaikutusta taloudellisesti optimaaliseen puuston rakenteeseen ja hakkuiden ajoitukseen, sekä kuinka tulokset vertautuvat Suomen ja Ruotsin lainsäädäntöihin. Tulosten mukaan hakkuut yleensä kohdistuvat suurimpiin puihin. Monen puulajin metsissä paremmilla kasvupaikoilla lajimonimuotoisuus kasvaa korkokannan noustessa, pitkän aikavälin tasapainotilan ollessa sekametsä. Lajimonimuotoisuus lisääntyy myös, kun biodiversiteetti huomioidaan metsänhoidon optimoinnissa. Hakkuiden ajoitus ja voimakkuus riippuvat sekä korkokannasta sekä kiinteistä hakkuukustannuksista, ja jos alkutila on kaukana pitkän aikavälin tasapainotilasta, laeista löytyvät rajat rikotaan etenkin transitiovaiheessa

• Rämö, University of Helsinki, Department of Forest Sciences Sähköposti: janne.ramo@helsinki.fi

• Demiguel, University of Eastern Finland, School of Forest Sciences Sähköposti: sergio.demiguel@uef.fi

• Pasalodos-Tato, Itä-Suomen yliopisto, Metsätieteiden osasto Sähköposti: pasalodos.maria@inia.es

• Kivinen, University of Helsinki, Faculty of Agriculture and Forestry Sähköposti: veli.kivinen@helsinki.fi