Ilmastovaihteluiden vaikutus arktisten soiden hiilikertymään viimeisen tuhannen vuoden aikana

Abstract

Arktiset suot sisältävät huomattavan suuren osan kaikesta maaperän hiilestä, minkä vuoksi niiden merkitys globaalin hiilitaseen kannalta on erittäin tärkeä. Suot ovat pitkäaikaisia hiilen varastoja, joiden hiilenkertymisnopeus on riippuvainen ilmastovaihteluista. Ilmastonmuutoksen aiheuttama ilmaston lämpeneminen kohdistuu eniten arktiselle alueelle, mikä vaikuttaa suoraan soiden toimintaan maaperän lämpenemisen, suon vedenpinnan korkeuden muutosten, kasvilajiston muutosten ja ikiroudan sulamisen kautta. Näillä kaikilla on vaikutusta siihen, miten suot sitovat ja vapauttavat hiiltä.

Tässä tutkimuksessa selvitettiin, miten tunnetut ilmastovaihtelut ovat vaikuttaneet subarktisten soiden hiilenkertymisnopeuteen eli hiilikertymään viimeisen tuhannen vuoden aikana. Tutkimus keskittyi etenkin keskiajan lämpöanomalian, pienen jääkauden sekä 1980-luvulta lähtien alkaneen voimakkaan lämpenemisen vaikutuksiin. Tutkimusaineisto koostui 15 turvenäytesarjasta, jotka kerättiin subarktisilta soilta Ruotsin Lapista sekä Venäjältä Kuolan niemimaalta ja Komin alueelta. Näytesarjat kairattiin epäjatkuvan ikirouta-alueen soiden välipinnoilta, joiden tiedetään reagoivan ilmaston lämpenemiseen herkästi. Suonäytteet ajoitettiin radiohiili- (14C) ja lyijymenetelmillä (210Pb) ja jokaisen näytesarjan turpeen- ja hiilenkertymisnopeudet laskettiin viimeisen tuhannen vuoden aikana syntyneistä turvekerroksista yhden senttimetrin resoluutiolla.

Tutkittujen suonäytteiden perusteella huomattiin, että etenkin pienen jääkauden kylmällä ilmastovaiheella sekä sen jälkeen alkaneella lämpenemisjaksolla on ollut huomattava vaikutus soiden hiilikertymään. Pienen jääkauden aikana hiiltä kertyi soihin vain vähän (mediaani 10,5 g m-2v-1), kun taas sen jälkeinen lämpeneminen ja etenkin viimeisin, noin 1980-luvulta lähtien alkanut erittäin voimakkaan lämpenemisen aika näkyvät soilla voimakkaina hiilikertyminä (mediaani 48,5 g m-2v-1). Keskiajan lämpöanomalialla sen sijaan huomattiin vain heikko positiivinen vaikutus hiilikertymään. Keskimäärin tutkimussoiden hiilikertymä viimeisen tuhannen vuoden aikana oli 43,3 g m-2v-1, mikä on huomattavasti aiemmin tutkittua 22,9 g m-2v-1 keskiarvoa suurempi kertymä (p-arvo 0,0003).

Tulosten perusteella lämpimien ilmastojaksojen aikana soihin on sitoutunut hiiltä nopeammin kuin viileinä ajanjaksoina. Lämpimien jaksojen aikana hiilikertymää kasvattaa pidentynyt kasvukausi sekä nopeutunut hajoaminen, kun taas kylmät jaksot lyhentävät kasvukautta ja ohentavat turpeen aktiivisen kerroksen paksuutta ikiroutakerroksen laajetessa. Pienen jääkauden jälkeen syntyneissä kerroksissa hiilikertymää suurentaa osittain turpeen heikko maatuneisuusaste, mutta myös ikiroudan sulamisen on havaittu olevan yhteydessä suuriin hiilikertymiin. Menneiden hiilenkertymisnopeuksien tutkiminen auttaa ymmärtämään soiden ja hiilenkierron dynamiikkaa entistä paremmin, mutta on huomattava, ettei hiiilikertymä juurikaan kerro suon hiilitaseesta, eli siitä, onko suo toiminut hiilen nieluna vai lähteenä.

Arctic peatlands are globally extensive and long-lasting storages of carbon and are therefore important ecosystems controlling global carbon cycling. Changes in climate affect peatlands’ ability to accumulate carbon through changes in hydrology and water table level, vegetation, soil temperature and permafrost thaw. As climate warming is projected mostly to northern and arctic regions, it may change the peatlands’ capacity to sequester and release carbon as carbon dioxide and methane.

In this Master’s Thesis I studied how the past climate changes are reflected in carbon accumulation rates over the past millennia. Known climate anomalies, such as the Medieval Climate Anomaly, Little Ice Age and the last rapid warming starting from 1980, and their impact on average long-term apparent rate of carbon accumulation were studied from the peat proxies. 15 peat cores were collected from northern subarctic Swedish Lapland and from North-East European Russia. Cores were collected from the active peat layer above permafrost that is known to be sensitive to climate warming. Cores were dated with radiocarbon (14C) and lead (210Pb) methods and peat properties and accumulation patterns were calculated for one centimeter thick subsamples based on chronologies.

The Little Ice Age and the last rapid warming affected the carbon accumulation rate considerably whereas for Medieval Climate Anomaly period the peat records did not show very distinctive response. During the Little Ice Age the carbon accumulation rates were low (median 10,5 g m-2v-1) but during the post-Little Ice Age and especially during the last warm decades after 1980 carbon accumulation rates have been high (median 48,5 g m-2v-1). Medieval Climate Anomaly had only a minor positive effect on accumulation rates. On average, the long-term apparent rate of carbon accumulation during the past millennia was 43,3 g m-2v-1 which is distinctly higher than the previously studied rate of 22,9 g m-2v-1 for northern peatlands (p-value 0,0003).

Based on results it can be concluded that warm climate periods accelerated the carbon accumulation rate whereas during cold periods accumulation decelerated. Warm climate prolongs the growth period and accelerates the decomposition of peat; cold climate shortens the period of plant growth and thickens the permafrost layer in peatlands, respectively. However, peat layers that are formed after the Little Ice Age are incompletely decomposed which amplifies the carbon accumulation rate partly. Nevertheless, permafrost thawing has been shown to increase accumulation rates, as well. Studying past carbon accumulation rates helps to understand the peatland and carbon cycling dynamics better. Even though accumulation rates reveal a lot about carbon sequestration capabilities of peat, it does not indicate whether a peatland has been a carbon sink or a source.