Maaperän hiilivarastot subarktisessa tundraympäristössä

Show full item record



Permalink

http://urn.fi/URN:NBN:fi:hulib-201905272172
Title: Maaperän hiilivarastot subarktisessa tundraympäristössä
Author: Nordblad, Nina
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Science
Publisher: Helsingin yliopisto
Date: 2019
Language: fin
URI: http://urn.fi/URN:NBN:fi:hulib-201905272172
http://hdl.handle.net/10138/302223
Thesis level: master's thesis
Discipline: Maantiede
Abstract: Arktisten ympäristöjen maaperä on globaalisti merkittävä hiilivarasto sen ollessa yli kaksinkertainen ilmakehän hiilivarastoon nähden. Ilmastonmuutoksen vaikutuksista herkkien arktisten ympäristöjen maaperän hiilivarastoihin ei ole yksiselitteistä konsensusta, joten taustalla olevien ympäristötekijöiden säätelymekanismien tutkiminen on erityisen tärkeää. Siten ekosysteemimuutosten paikallisten ja globaalien vaikutusten arvioimiseksi on luotettavalle hiilivarastoaineistolle selkeä tarve. Suurimmassa osassa arktisten maaperän hiilivarastojen ennusteissa perustuu alueellinen yleistys kasvillisuuteen, joten laajaa käsitystä korkokuvamuuttujien toimivuudesta hiilivarastojen mallinnuksessa ei ole. Teoriaan pohjautuen on korkokuvalla kuitenkin selkeä välillinen vaikutus, sen säädellessä lähes kaikkia muita hiilivarastoon vaikuttavia tekijöitä. Näin ollen tutkimuksen mallinnukseen valittiin ainoastaan korkokuvasta johdettuja muuttujia. Tutkielman tavoitteena oli tuottaa mahdollisimman realistinen alueellinen ennuste tutkimusalueen maaperän hiilivarastoista ja testata korkokuvamuuttujien potentiaalia hiilivarastojen mallintamisessa. Lisäksi tarkasteltiin erikseen hiilivarastojen jakautumista suhteessa korkokuvaan, kuten absoluuttista korkeutta tai rinteen viettosuuntaa vasten. Tutkielmassa tarkasteltiin maisematasolla maaperän hiilivarastoja subarktisella vuoristotundralla Pohjois-Norjassa. Tutkimusalueella korkeusvaihtelua on liki tuhat metriä laajoine ympäristögradientteineen luoden täten alueesta otollisen ympäristövaikutusten tutkimiseen. Tutkimuksen aineisto koostui kenttäaineistosta, laboratoriossa määritetyistä hiilipitoisuuksista sekä näiden perusteella lasketuista hiilivarastoista. Hiilivarastoja tutkittiin korkeusmallista johdettuja korkokuvamuuttujia vasten hyödyntäen kahta eri monimuuttujamenetelmää: yleistettyä additiivista mallia (GAM) ja luokittelupuumenetelmää (GBM). Mallien toimivuutta arvioitiin ennustettujen ja havaittujen hiilivarastojen korrelaatioiden sekä mallien jäännösvirheiden avulla, joita tarkasteltiin keskineliövirheen neliöjuuren (RMSE) kautta. Tutkimusalueen hiilivarastot vaihtelivat 0–34,5 kg C m-2 välillä alueellisen keskiarvon oltua 4,2 kg C m-2. Hiilivarastojen alueellinen estimaatti ja jakauma vastasivat hyvin aikaisemmissa samankaltaisissa ympäristöissä tehtyjen tutkimusten tuloksia. Suurin osa hiilivarastoista sijoittui puuttomalle tundralle alle 700 metrin korkeudelle laaksoihin, alarinteille ja paikallisiin painanteisiin. Tätä korkeammalla tuntureiden huipuilla hiilivarastot olivat lähes olemattomat. Puurajan alapuolella, tunturikoivikossa tavattiin keskimäärin pienempiä hiilivarastoja verrattuna puuttomaan tundraan. Paikallinen vaihtelu oli merkittävää ja suuri osa hiilivarastoista sijoittui pinta-alaltaan hyvin pienelle alueelle. Monimuuttujamallinnuksen tuloksista kyettiin todentamaan teorian osoittamia yhteyksiä hiilivarastojen ja korkokuvamuuttujien välillä. Absoluuttisen korkeuden todettiin vaikuttavan hiilivarastoon säätelemällä etenkin kasvillisuutta ja lämpötilaolosuhteita. Näiden vaikutusmekanismien avulla absoluuttinen korkeus loi karkeat raamit hiilivarastojen vaihtelulle maisemassa. Paikallista vaihtelua selitti sen sijaan maaperän kosteusolosuhteet. Tulosten perusteella maaperän kosteusolosuhteilla todettiinkin olleen merkittävin hiilivarastoa säätelevä rooli. Tutkimuksen kohtuullisesti toimineet mallit tukevat aikaisempia havaintoja korkokuvamuuttujien potentiaalista alueellisten hiilivarastojen ennustamisessa. Maaperän hiilivarastojen alueellisiin arvioihin liittyy kuitenkin vielä runsaasti epävarmuuksia, joihin tulevaisuudessa tulisi keskittyä ennustusten luotettavuuden parantamiseksi. Holistinen käsitys maaperän hiilivarastojen jakautumisesta ja tähän vaikuttavista ympäristöolosuhteista on tarpeen arktisten alueiden mittavien hiilivarastojen vuoksi. Luotettavat maaperän hiilivarastoaineistot ovat keskeisessä asemaassa arvioidessa tulevan ilmastonmuutoksen vaikutuksia ja takaisinkytkentöjä, sillä takaisinkytkentöjen mekanismeilla on globaalille tasolle yltäviä vaikutuksia.Soil carbon stocks of arctic regions are globally a remarkable carbon storage and a fundamental component in the global carbon cycle, as they store more than twice the amount of carbon compared to the atmosphere. Environmental controllers and mechanisms behind soil carbon stocks should be comprehensively studied, as there is no clear agreement of the climate change impacts on the sensitive tundra ecosystems and the soil carbon storages. Therefore, there is an urgent need for reliable and extensive soil carbon data to evaluate both local and global impacts of ecosystem changes in tundra regions. Typically, the upscaling of soil organic carbon predictions made in arctic regions has been based totally or partly on vegetation and land cover classifications. This might be one reason why we are lacking a wide view of the potential of using topographical variables in the upscaling of carbon stocks. Even though, the theory has proven a strong indirect relationship between topography and soil properties. Consequently, only variables extracted from a terrain model were used in this study. The aim of the study was to produce as realistic regional soil organic carbon prediction as possible and to investigate the potential of modeling soil organic carbon with topographical variables. Additionally, the variation of soil carbon stocks in relation to the topographical position were examined closely. The landscape scaled subarctic research area located in northern Norway in a mountainous region with relative elevation reaching almost one thousand meters. Hence, the area has a wide range of environmental gradients, which makes it a great area for studying ecological impacts. The research material consisted of field measurements and soil samples of which carbon contents were analyzed in laboratory. Carbon storages were examined against topographical variables extracted from the terrain model using two different multivariate models: generalized additive model (GAM) and generalized boosted regression modeling (GBM). Models were assessed through correlations between observed and predicted values and through model residuals and their root mean square errors (RMSE). Based on the predictive models, soil carbon stocks varied on the research area between 0–34,5 kg C m-2 and the regional mean estimate was 4,2 kg C m-2. These estimates and the regional variation in stocks are in line with earlier inventories made in similar environments. The largest soil carbon stocks were found above the treeline in valleys, at gently sloping hillsides and in local water-logged peatlands. Soil carbon stocks were generally smaller in the mountain birch forest compared to the shrub and heath tundra areas. Local scale variability in carbon stocks were significant and a great portion of total storages was found on a limited area. Above a height of 700 meters, steep topography and harsh climate conditions limits soil formation leaving only barren ground, which explains the low observed carbon storages. Relationships between local topography and soil carbon stocks presented in theory were also recognized in the results of the multivariate models. Absolute height above sea level regulated soil carbon stock especially through the impact on vegetation and temperature conditions. Hence, these mechanisms made up the robust landscape scaled distribution in predicted carbon storages. Instead, soil moisture determined the fine scaled variation. As well, the results indicated soil moistures essential role in soil carbon accumulation. Earlier observations of topographical variables potential in soil carbon prediction modeling are supported by the fairly good models of this research. Nevertheless, large uncertainties are still associated with regional upscaling of soil carbon stocks, which should be paid attention to in future researches to improve the reliability of predictions. A holistic perspective will be necessary to understand the spatial distribution and environmental factors influence on soil carbon storages. Reliable estimations of soil carbon stocks are a key component when determining future climate change impacts and feedbacks as these mechanisms have globally reaching consequences.


Files in this item

Total number of downloads: Loading...

Files Size Format View
Nordblad_Nina_Pro_gradu_2019.pdf 4.696Mb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record