Mechanisms of below-ground carbon cycling in subarctic ecosystems

Abstract

Some components of the below-ground carbon (C) cycle in terrestrial ecosystems are still poorly understood. A better understanding will be necessary to predict adequately the impacts of global change factors on C cycling and storage, especially in high-latitude ecosystems, where much of the C is stored below-ground. In this work some of the mechanisms of the below-ground C cycle in subarctic ecosystems were studied and responses to present and potential future environmental conditions assessed.



Using 14C pulse-labelling, C allocation to above-ground biomass, rhizomes, coarse roots, fine roots, hair roots, ericoid mycorrhizas, microbes and dissolved organic C (DOC) was determined repeatedly over the growing season in four of the most common vegetation types of the Scandinavian subarctic: (1) Dry dwarf shrub tundra; (2) Semi-wet mire; (3) Wet mire; and (4) the understorey of subarctic birch forest. Effects of increased temperatures, increased atmospheric CO2 concentrations and both factors in combination on below-ground C allocation, ericoid mycorrhizal colonisation and functioning were studied in an full-factorial open-top chamber experiment. Furthermore, responses of ericoid mycorrhizal colonisation rates to environmental variation during the growing season were investigated. Ecosystem C partitioning varied temporally in all studied ecosystems, possibly indicating changes in growth, nutrient uptake or C storage by vegetation. The relative importance of C pools with "fast" versus "slow" turnover rates varied spatially, among vegetation types. Therefore it is important for global change studies to consider the possible effects of vegetation changes on ecosystem C dynamics. Allocation of recent assimilates to fast-turnover C pools such as hair roots and DOC was particularly high in a dwarf shrub tundra making them quantitatively interesting pools to consider in studies of ecosystem C dynamics. Furthermore, a significant proportion of assimilates in the DOC pool were allocated to P-mobilizing organic acids, apparently as part of a mechanism for circumventing nutrient deficiency.



Elevated temperatures led to increased C allocation to hair roots and DOC as well as root ergosterol content (as a proxy for ericoid mycorrhizal colonisation) in a birch forest understorey, apparently as a result of low soil moisture content and plant water stress. Increased atmospheric CO2 lowered leaf ä15N, suggesting an altered role for mycorrhizas in ecosystem N-cycling. Root ergosterol content in a dwarf shrub tundra was correlated with ecosystem photosynthesis two weeks earlier, and the amount of recently-assimilated C in hair roots and ergosterol were highly correlated, suggesting that seasonal variation in mycorrhizal colonisation levels was controlled by ecosystem photosynthesis and C allocation processes.



Taken together, the studies reported in this thesis demonstrate the importance of below-ground mechanisms for carbon cycling in the subarctic ecosystems examined. Several of the mechanisms studied were found to be sensitive to temporal or spatial variation in environmental drivers. This suggests that below-ground mechanisms may mediate changes in ecosystem C cycling and storage under the modified environmental conditions of the future.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Medeltemperatur på jorden har stigit med ca 0.6 ºC sedan 1900-talets början. Denna ökning beror mycket sannolikt på människans utsläpp av växthusgaser så som t.ex. koldioxid. Under det kommande århundradet räknar man med att jordens medeltemperatur kommer att stiga ytterligare 1.4-5.8 ºC. Både temperaturhöjningen och koldioxidhaltens ökning i atmosfären kan påverka vegetationens tillväxt och sammansättning men också förändra omsättningen av kol i marken. Inom arktiska och boreala områden tror man att klimatförändringar (temperatur och nederbörd) och dess effekter kommer att vara särskilt tydliga, och det är också här som stora mängder kol finns lagrat i marken. Forskare har sedan några årtionden tillbaka intresserat sig för hur omsättningen av kol i växter och mark förändras med en ökad temperatur och en ökad koldioxid halt i luften. Man vill även ta reda på hur detta i sin tur kommer att påverkar halten av växthusgaser i atmosfären, t.ex. koldioxid och metan, och därmed jordens klimat.



I fotosyntesen tas koldioxid upp från atmosfären och binds in i växter. Respirationen är den motsatta processen som omsätter eller bryter ner kolföreningar i växter och mark. I denna process frisläpps koldioxid till atmosfären. Balansen mellan dessa två processer är avgörande för hur mycket kol som lagras i marken eller som släpps ut till luften som koldioxid. Kolet i marken kommer till största delen från växterna. Kol som tagits upp i fotosyntesen transporteras ut (allokeras) till växtens olika delar, t.ex. växternas blad, stammar och rötter. När dessa dör och bryts ner blir de en del utav marken. Växter lever oftast i samspel med svamp, så kallad mykorrhiza. Svampen som omger rötterna hjälper växten att ta upp näring och i sin tur allokerar växten en del av sitt kol till svampen. Växten utsöndrar också enkla kolföreningar, t.ex. socker till marken (exsudation) vilket underlättar näringsupptaget i växten. Det är viktigt att kartlägga hur dessa olika delprocesser i kolets kretslopp (fotosyntes, respiration, allokering, exsudation) hänger samman och påverkas av klimatförändringar, förändrade koldioxidhalter i atmosfären och vegetationsförändringar. Man kan på så sätt räkna ut och förutsäga om förändringarna kommer att ha en dämpande eller accelererande effekt på koldioxidhalten i atmosfären och därmed växthuseffekten. Idag vet man väldigt lite om de olika processerna (se ovan) som reglerar omsättningen av kol i marken, och hur dessa påverkas av globala förändringar i klimat och atmosfär.



I detta arbete har vi kvantifierat hur mycket av det kol som tas upp i fotosyntesen som allokeras till olika pooler i marken ss grova rötter, fina rötter, mikroorganismer, mykorrhizasvampar och enkla kolföreningar i marken. Vi har också tittat på hur allokeringen varierar med typ av vegetation, tid på växtsäsongen, ökad temperatur och en ökad halt av koldioxid i atmosfären. Vidare undersökte vi vilka faktorer som huvudsakligen styr fotosyntesen, respiration, mängden mykorrhiza i marken och mängden enkla kolföreningar samt hur de två sistnämnda i sin tur påverkar växterna. Alla studierna utfördes runt Abisko i norra Sverige i zonen mellan arktiska och boreala områden, d.v.s. Subarktis.



Vi fann att andelen assimilerat kol som hamnade i de olika poolerna i marken skiljer sig mellan typ av vegetation och tid på växtsäsongen. Halvgräs och mossa som dominerar på våta marker allokerar relativt mer kol till pooler som bryts ner långsamt jämfört risväxter (t.ex. blåbär och lingon) som dominerar på torra marker. På en myr nära Abisko i norra Sverige har man nyligen funnit att andelen våta områden har ökat sedan 1970-talet på bekostnad av torra. Detta skulle kunna innebära att lagringen av kol i marken ökar och mindre släpps ut som koldioxid till atmosfären. Däremot skulle utsläppen av växthusgasen metan öka.



Vidare fann vi att subarktiska risväxter allokerar en stor andel av fotosyntetiserat kol till lättomsättliga pooler ss t.ex. finrötter eller enkla kolföreningar. Omkring 20% av det kol som återfanns som enkla kolföreningar i marken fanns i form av organiska syror vars funktion troligen är att öka växternas tillgång på fosfor i marken. I liknande vegetation fann vi att allokeringen av kol i marken förändrades markant med en ökad temperatur och en ökad koldioxidhalt i atmosfären. Mängden mykorrhizasvampar och allokeringen till enkla kolföreningar ökade i marken med en ökad temperatur, förmodligen som ett resultat av en minskad markfuktighet och brist på vatten hos växterna. Förhöjda halter av koldioxid i atmosfären verkade ha liknande effekt på allokeringen av kol som en ökad temperatur men resultaten var mindre tydliga. Dessutom ökade mängden finrötter i marken till det dubbla. Mängden mykorrhizasvamp i marken visade sig vara reglerad av fotosynteshastighet i växterna samt av hur mycket upptaget kol som allokerades till rötterna. Mängden enkla kolföreningar i marken eller mängden kol som allokeras till denna pool var positivt relaterad till totala mängden blad och rötter (eg. fotosyntes och allokering av kol till rötter). Fotosyntesen i sig var starkt positivt relaterad till ljusinflöde, men på soliga dagar påverkade också luftfuktighet och lufttemperatur. Respirationen var positivt relaterad till lufttemperatur.



Resultat i denna studie har ökat kunskapen om de processer som i huvudsak påverkar kolets kretslopp i Subarktis. I kombination med anda resultat och fortsatta studier kan detta bidra till en ökad förståelse för hur ett förändrat klimat eller förhöjd koldioxid halter i atmosfären kommer att påverka lagringen av kol i marken.

• author: Olsrud, Maria
• supervisor: [unknown] [unknown]
• opponent: Dr Shaver, Gaius R., USA
• organization: Dept of Physical Geography and Ecosystem Science
• publishing date: 2004
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Physical Geography
• keywords: cartography, climatology, Fysisk geografi, geomorfologi, marklära, kartografi, klimatologi, pedology, geomorphology, Physical geography, subarctic tundra, phosphorous mobilization, organic acids, open top chamber experiment, 15N natural abundance, Ericoid mycorrhizas, global change, 14C pulse-labelling, Carbon allocation
• pages: 108 pages
• defense location: Geocentrum II, Pangea, Lund
• defense date: 2004-10-08 10:15:00
• external identifiers: scopus:5144228667
• ISBN: 91-974997-0-6
• language: English
• LU publication?: yes
• additional info: Article: I. Olsrud M., Christensen T.R. 2004. Carbon cycling in subarctic tundra; seasonal variation in ecosystem partitioning based on in situ 14C pulse-labelling. Soil Biology and Biochemistry 36, 245-253. Article: II. Olsrud M., Christensen T.R. Carbon partitioning and below-ground allocation in a wet subarctic mire based on in situ 14C pulse-labelling. Soil Biology and Biochemistry (Submitted). Article: III. Olsrud M., Melillo J.M., Christensen T.R., Michelsen A., Wallander H., Olsson P.A. 2004. Response of ericoid mycorrhizal colonization and functioning to global change factors. New Phytologist 162, 459-469. Article: IV. Pendall E., Bridgham S., Hanson P.J., Hungate B., Kicklighter D.W., Johnson D.W., Law B.E., Luo Y., Megonigal J.P., Olsrud M., Ryan M.G., Wan S. 2004. Below-ground process responses to elevated CO2 and temperature: a discussion of observations, measurement methods, and models. New Phytologist 162, 311-322. Article: V. Ström L., Olsrud M., Christensen T.R. Root exudation as a mechanism for circumventing nutrient deficiency in a nutrient poor peatland. Ecology (Submitted).
• id: 4e2f3903-16de-4a6c-a77d-7a82f16901cb (old id 467318)
• date added to LUP: 2016-04-01 15:59:53
• date last changed: 2022-01-28 08:38:47