Environmental controls of boreal forest soil CO2 and CH4 emissions and soil organic carbon accumulation

Näytä kaikki kuvailutiedot



Pysyväisosoite

http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-651-696-0
Julkaisun nimi: Environmental controls of boreal forest soil CO2 and CH4 emissions and soil organic carbon accumulation
Tekijä: Tupek, Boris
Tekijän organisaatio: University of Helsinki, Faculty of Agriculture and Forestry, Department of Forest Sciences
Doctoral Programme in Sustainable Use of Renewable Natural Resources
Natural Resources Institute Finland (LUKE)
Helsingin yliopisto, maatalous-metsätieteellinen tiedekunta
Uusiutuvien luonnonvarojen kestävän käytön tohtoriohjelma
Helsingfors universitet, agrikultur-forstvetenskapliga fakulteten
Doktorandprogrammet i hållbart utnyttjande av förnybara naturresurser
Julkaisija: Helsingin yliopisto
Päiväys: 2020-09-30
Kieli: eng
Kuuluu julkaisusarjaan: Dissertationes Forestales 303 - URN:ISSN:1795-7389
URI: http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-651-696-0
http://hdl.handle.net/10138/319161
Opinnäytteen taso: Artikkeliväitöskirja
Tiivistelmä: Process-based soil carbon models can simulate small short-term changes in soil organic carbon (SOC) by reconstructing the response of soil CO2 and CH4 emissions to simultaneously changing environmental factors. However, the models still lack a unifying theory on the effects of soil temperature, moisture, and nutrient status on the boreal landscape. Thus, even a small systematic error in modelled instantaneous soil CO2 emissions and CH4 emissions may increase bias in the predicted long-term SOC stock. We studied the environmental factors that control CO2 and CH4 emissions in Finland in sites along a continuum of ecosystems (forest-mire ecotone) with increasing moisture and SOC (I and II); soil CO2 emissions and SOC in four forest sites in Finland (III); and SOC sequestration at the national scale using 2020 forest sites from the Swedish national forest soil inventory (IV). The environmental controls of CO2 and CH4 emissions, and SOC were evaluated using non-linear regression and correlation analysis with empirical data and by soil C models (Yasso07, Q and CENTURY). In the upland forest-mire ecotone, the instantaneous variation in soil CO2 emissions was mainly explained by soil temperature (rather than soil moisture), but the SOC stocks were correlated with long-term moisture. During extreme weather events, such as prolonged summer drought, soil CO2 emissions from the upland mineral soil sites and CH4 emissions from the mire sites were significantly reduced. The transition from upland forest to mire did not act as a hot spot for CO2 and CH4 emissions. The CO2 emissions were comparable between forest/mire types but the CH4 emissions changed from small sinks in forests to relatively large emissions in mires. However, the CH4 emissions in mires did not offset their CO2 sinks. In the Swedish data, upland forest SOC stocks clearly increased with higher moisture and nutrient status. The soil carbon models reconstructed SOC stocks well for mesotrophic soils but failed for soils of higher fertility and wetter soils with a peaty humus type. A comparison of measured and modelled SOC stocks and the seasonal CO2 emissions from the soil showed that the accuracy of the estimates varied greatly depending on the mathematical design of the model’s environmental modifiers of decomposition, and their calibration. Inaccuracies in the modelling results indicated that soil moisture and nutrients are mathematically underrepresented (as drivers of long-term boreal forest soil C sequestration) in process-based models, resulting in a mismatch for both SOC stocks and seasonal CO2 emissions. Redesigning these controls in the models to more explicitly account for microbial and enzyme dynamics as catalysts of decomposition would improve the reliability of soil carbon models to predict the effects of climate change on soil C.Prosessipohjaiset maaperän hiilimallit voivat simuloida pieniä, lyhytaikaisia muutoksia maaperän orgaanisen hiilen (SOC) varastoissa rekonstruoimalla maaperän CO2- ja CH4-päästöjen vasteen samanaikaisesti muuttuviin ympäristötekijöihin. Malleista puuttuu kuitenkin edelleen yhtenäinen teoria maaperän lämpötilan, kosteuden ja ravinnetilan vaikutuksista boreaalisissa ympäristöissä. Näin ollen jopa pieni systemaattinen virhe mallinnetuissa hetkellisissä maaperän CO2- ja CH4-päästöissä voi lisätä pitkän aikavälin SOC-varastojen ennusteiden vinoutuneisuutta. Tutkimme ympäristötekijöitä, jotka säätelevät CO2- ja CH4-päästöjä ekosysteemien vaihettumisvyöhykkeellä Suomessa (metsä-suo-ekotonilla) kosteuden ja maaperän hiilen lisääntyessä (I ja II); maaperän CO2-päästöjä ja SOC-varastoja neljällä metsäalueella Suomessa (III); ja maaperän hiilen sitomista kansallisessa mittakaavassa käyttämällä vuoden 2020 metsäkoealoja Ruotsin kansallisesta metsämaaperäluettelosta (IV). CO2- ja CH4-päästöjä sekä SOC-varastoja säätelevät ympäristötekijät arvioitiin soveltamalla epälineaarista regressio- ja korrelaatioanalyysiä empiirisiin aineistoihin ja maaperän hiilimalleilla (Yasso07, Q ja CENTURY). Metsä-suo-ekotonilla maaperän hiilidioksidipäästöjen hetkellistä vaihtelua selitti lähinnä maaperän lämpötila (eikä niinkään maaperän kosteus), mutta SOC-varastot korreloivat pitkäaikaisen kosteuden kanssa. Äärimmäisten sääilmiöiden aikana, kuten pitkittyneessä kesän kuivuudessa, maaperän CO2-päästöt mineraalimailla ja CH4-päästöt suoalueilla vähenivät merkittävästi. Siirtymässä metsästä suolle ei havaittu CO2- ja CH4-päästöjen erityistä aktiivisuutta. Hiilidioksidipäästöt olivat vertailukelpoisia metsä- ja suotyyppien välillä, mutta CH4-päästöt muuttuivat metsien pienistä nieluista suhteellisen suuriksi päästöiksi soilla. Soiden CH4-päästöt eivät kuitenkaan kompensoineet niiden CO2-nieluja. Ruotsalaisessa aineistossa metsien SOC-varastot kasvoivat selvästi kosteuden ja ravinnetilan ollessa korkeampia. Maaperän hiilimallit rekonstruoivat SOC-varastot hyvin mesotrofisille maaperille, mutta epäonnistuivat korkeamman hedelmällisyyden maaperille sekä kosteille maaperille, joissa oli turpeista humusta. Mitattujen ja mallinnettujen SOC-varastojen ja maaperän kausiluonteisten CO2-päästöjen vertailu osoitti, että arvioiden tarkkuus vaihteli suuresti riippuen siitä, millaiset hajoamiseen vaikuttavien ympäristötekijöiden matemaattiset muotoilut mallissa oli ja miten ne oli kalibroitu. Mallinnustulosten epätarkkuudet osoittivat, että maaperän kosteuden ja ravinteikkuuden roolit boreaalisen metsämaaperän pitkäaikaisessa hiilen sitomisessa ovat matemaattisesti puutteellisesti edustettuina prosessipohjaisissa malleissa. Tämä johtaa sekä SOC-varastojen että kausiluonteisten CO2-päästöjen epäsuhtaan. Näiden vaikutusten uudelleenmuotoilu malleissa niin, että mikrobien ja entsyymien dynamiikka hajoamisen katalysaattoreina otettaisiin paremmin huomioon, parantaisi maaperän hiilimallien luotettavuutta ennustettaessa ilmastonmuutoksen vaikutuksia maaperään hiileen.
Avainsanat: biogeochemistry
Tekijänoikeustiedot: Julkaisu on tekijänoikeussäännösten alainen. Teosta voi lukea ja tulostaa henkilökohtaista käyttöä varten. Käyttö kaupallisiin tarkoituksiin on kielletty.


Tiedostot

Latausmäärä yhteensä: Ladataan...

Tiedosto(t) Koko Formaatti Näytä
Environm.pdf 8.132MB PDF Avaa tiedosto

Viite kuuluu kokoelmiin:

Näytä kaikki kuvailutiedot