Tundra meets atmosphere : Seasonal dynamics of trace gas exchange in the High Arctic

Abstract

Arctic environments have experienced strong warming in recent decades, which is affecting the carbon cycle of tundra ecosystems.
Degrading permafrost, diminishing snow cover, and changing hydrology are examples of ongoing processes that affect the land-atmosphere interactions and seasonal ecosystem dynamics.
Since a number of the affected processes involve the exchange of atmospheric greenhouse gases, such as the trace gases methane (CH4) and carbon dioxide (CO2), there is a potential for these interactions to lead to climate feedbacks.

The impact this feedback could have on the global climate is currently not well known due to gaps in our knowledge about the involved processes.
One reason for this mismatch is the scarcity of direct, continuous and comparable measurements of CH4 and CO2 fluxes in the high Arctic tundra.
The relatively remote, harsh, and low-flux conditions dominating these environments for most of the year pose challenges for flux measurement techniques that have proven to work well at lower latitudes.
The present study is, therefore, not only aiming to advance our understanding of trace gas exchanges in the Arctic tundra, but also trying to improve commonly-used flux measurement techniques to yield new insights.

The two main study sites of this work are located in permafrost-underlain wetlands in Adventdalen, Svalbard and Zackenberg, NE Greenland.
These sites show distinctly different processes that govern the trace gas exchange throughout the different seasons:
The snow-free season is characterized by high CH4 emissions, which seem to follow predictable spatial and temporal patterns. Large CO2 uptake by photosynthesis and release by respiration give rise to a large amplitude of net ecosystem exchange during the growing season.
The autumnal freeze-in period can feature the highest gas emissions, most likely due to physical mechanisms connected to the soil freezing that release a part of the soil gas reservoir.
During winter and spring a low level of microbial activity is sustained but the gas transport capability of the frozen soil is relatively low. Still, snowpack gas concentrations indicate consistent emissions of CH4 and CO2 from the soil.
Around the snowmelt period, emissions of stored gases in the snowpack and soil are superimposed on the fast increase of biological activity. The flooded and heterogeneous conditions make the representative flux estimation extremely challenging around this time of year.
The diverse range of processes governing the seasonal flux dynamics at these two study sites exemplifies the complexity and possibilities of predicting the resilience and vulnerability of Arctic tundra ecosystems to climate change.

Abstract (Swedish)

Arktiska miljöer har de senaste decennierna upplevt en stark temperaturökning, vilket påverkar tundrans kolcykel.
Smältande permafrost, minskande snötäcke och förändringar i hydrologiska mönster är exempel på pågående processer som förändrar samspelet mellan mark och atmosfär samt ekosystemens säsongsdynamik.
Då ett antal av dessa processer involverar utbyte av växthusgaser, såsom spårgaserna metan (CH4) och koldioxid (CO2), finns en möjlighet att dessa samspel har återkopplingar på klimatet.

Påverkan dessa återkopplingar skulle kunna ha på det globala klimatet är för tillfället inte speciellt välkänd på grund av bristande kunskap om de grundläggande processerna.
En orsak till detta problem är brist på direkta, kontinuerliga och jämförbara flödesmätningar av CH4 och CO2 på den arktiska tundran.
De relativt avlägsna och hårda miljöförhållandena samt de låga gasflöden som dominerar dessa miljöer under större delen av året ställer stora tekniska utmaningar på flödesmätningar, som annars har visats fungera väl på lägre breddgrader.
Syftet med den här studien är därför både att fördjupa den nuvarande kunskapen om spårgasflöden och förbättra de allmänna teknikerna för att mäta dessa gasflöden.

De två huvudsakliga fältstationerna för den här studien ligger på myrområden med permafrost i Adventdalen, Svalbard och i Zackenberg, Nordöstra Grönland.
Det finns tydliga skillnader mellan de processer som styr spårgasutbytet för dessa områden över året:
Den snöfria säsongen karaktäriseras av höga utsläpp av CH4, som tycks följa ett förutsägbart spatialt och temporalt mönster.
Under växtsäsongen ger fotosyntes och respiration upphov till stora svängningar i nettoekosystemutbytet av CO2.
På hösten när marken fryser kan de högsta utsläppen från markens gasförråd förekomma, troligtvis genom fysikaliska mekanismer som uppträder i samband med att marken fryser.
Under vinter och vår upprätthålls en låg mikrobiell aktivitet i marken, även om gastransporten genom den frusna marken är relativt låg. Trots detta visar snötäckets gaskoncentrationer jämna utsläpp av CH4 och CO2 från marken.
Vid snösmältningen sker utsläpp av snötäckets och markens gasförråd samtidigt som den biologiska aktiviteten ökar snabbt.
De översvämmade och heterogena våtmarkerna gör representativa uppskattningar av flöden mycket svåra under denna tid på året.
Den mångfald av processer som styr flödesdynamiken på de två platserna exemplifierar komplexiteten och möjligheterna i att förutsäga sårbarhet och resiliens hos den arktiska tundran i ett förändrat klimat.

• author: Pirk, Norbert
• supervisor: Torben Christensen; Mikhail Mastepanov; Frans-Jan Parmentier; Hanne Christiansen
• opponent: Prof. Dr. Kutzbach, Lars, Universität Hamburg, Germany
• organization: Dept of Physical Geography and Ecosystem Science
• publishing date: 2017
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Physical Geography
• keywords: Arctic, tundra, methane, carbon dioxide
• pages: 145 pages
• defense location: Lecture hall “Världen”, Geocentre I, Sölvegatan 10, Lund
• defense date: 2017-02-10 10:00:00
• ISBN: 978-91-85793-71-6
• ISBN: 978-91-85793-72-3
• language: English
• LU publication?: yes
• id: c877ac94-321a-44d7-afc0-d1b6f1fd6b36
• date added to LUP: 2017-01-12 12:57:03
• date last changed: 2018-11-21 21:28:51