The short-term effect of partial harvesting and clearcutting on greenhouse gas fluxes and evapotranspiration in a nutrient-rich peatland forest

Abstract

Drained peatlands are a challenge to the climate change mitigation, due to acting as sources of carbon and greenhouse gases to the atmosphere. However, different management practices could be used to reduce these emissions. In this thesis, the objective was to quantify the changes in water table level (WTL), evapotranspiration (ET) and greenhouse gas (GHG) fluxes for the first few years following clearcutting and partial harvesting a nutrient-rich peatland forest. The experimental forest was divided to partial harvest, clear-cut and control subsites, where WTL was monitored and direct flux measurements were made with the eddy covariance (EC), and manual and automatic soil chamber methods.

Before clearcutting, the subsite was a small CO2 and CH4 sink, but N2O emissions were small. After clearcutting, WTL rose by 24 cm due to a 45% decrease in ET. The loss of photosynthesising biomass and addition of respiring logging residues turned the clear-cut subsite from CO2 sink into a large CO2 source for the next few years. Forest floor N2O fluxes increased significantly, possibly due to residues releasing reactive nitrogen, hence promoting N2O production. Also, soil compression and WTL rise might have enhanced N2O production through increased denitrification. The soil turned from CH4 sink into a small source as a result of thinning of oxic peat layer, which decreased CH4 oxidation.

The partially harvested subsite was a small CO2 source before the partial harvest, meaning more carbon was lost through peat decomposition than was taken up by growing trees. Forest floor was a small CH4 sink and N2O source. After partial harvest, WTL rose by 12 cm and ET decreased by 17% compared to the control site. Also, CO2 emissions increased. However, compared to the clear-cut site, CO2 emissions were significantly smaller at the partial harvest site. No considerable changes in CH4 and N2O fluxes were observed after partial harvest. The difference in CO2 emissions between the harvest treatments can be explained with remaining tree stand, which kept ET higher, WTL lower and acted as CO2 sink. Also, the amount of decomposing logging residues was smaller after partial harvesting than after clearcutting.

Kuivatut turvemaat ovat haaste ilmastonmuutoksen kannalta, koska ne toimivat hiilen ja kasvihuonekaasujen lähteinä, mutta erilaisilla käsittelytavoilla voidaan mahdollisesti hillitä näitä päästöjä. Tässä väitöskirjassa tavoitteena oli määrittää muutokset runsasravinteisen suometsän pohjaveden korkeudessa (WTL), haihdunnassa (ET) sekä kasvihuonekaasuvoissa (KHK-voissa) ensimmäisinä vuosina avohakkuun sekä osittaishakkuun jälkeen. Tutkimusmetsä jaettiin kolmeen koealaan: osittaishakkuu, avohakkuu ja kontrolli. Koealoilla mitattiin WTL:ää, ET:tä ja KHK-voita pyörrekovarianssi, automaatti- ja manuaalikammiomenetelmillä.

Ennen avohakkuuta koeala oli pieni hiilidioksidin (CO2) ja metaanin (CH4) nielu ja pieni typpioksiduulin (N2O) lähde. Avohakkuun jälkeen ET laski 45%, joka johti 24 cm vedenpinnan nousuun. Yhteyttävän biomassan häviäminen ja hajoavien hakkuutähteiden lisääminen muutti avohakatun alan suureksi CO2-lähteeksi. Metsänpohjan N2O-vuot kasvoivat merkitsevästi todennäköisesti hakkutähteiden vapauttaman reaktiivisen typen vuoksi. Samaan aikaan maan tiivistyminen ja WTL:n nousu tehostivat denitrifikaatiota ja siten N2O:n tuottoa. Maaperä muuttui CH4-nielusta lähteeksi hapellisen turvekerroksen ohennuttua, joka pienensi CH4:n hapettumista.

Osittaishakattava ala oli pieni CO2-lähde ennen hakkuuta, eli turpeen hajoamisesta muodostuvat CO2-päästöt olivat suuremmat kuin mitä puusto sitoi. Metsänpohja oli pieni CH4:n nielu ja N2O:n lähde. Osittaishakkuun jälkeen ET pieneni 17% ja WTL nousi 12 cm verrattuna kontrollialaan. CO2-päästöt kasvoivat verrattuna hakkuuta edeltävään tilaan, mutta merkittävästi vähemmän kuin avohakkuun jälkeen. CH4- ja N2O-voissa ei havaittu merkitsevästi muutoksia. Erot avohakkuun ja osittaishakkuun välillä selittyvät jäljelle jääneellä puustolla, joka piti haihdunnan korkeammalla, WTL:n matalammalla sekä sitoi CO2:a. Myös hakkuutähteiden määrä oli merkittävästi pienempi osittaishakkuun jäljiltä.