Advanced

Effects of future climate on carbon assimilation of boreal Norway spruce

Hall, Marianne LU (2008)
Abstract (Swedish)
Popular Abstract in Swedish

Det norra barrskogsbältet, även kallat de boreala skogarna, sträcker sig runt hela norra halvklotet. Det utgör en tredjedel av den globala skogsytan, och innehåller hälften av den totala mängden kol finns lagrat i samtliga skogsekosystem. Trots de låga temperaturerna, den korta vegetationssäsongen och en liten mängd inkommande solenergi under året, är dessa ekosystem viktiga för det globala klimatet. De boreala skogarna är ett av få landekosystem som anses kunna lagra in en större mängd kol från atmosfären under den närmsta hundraårsperioden, och därmed, åtminstone kortsiktigt, bidra till en inbromsning av den ökande växthuseffekten. Projektets syfte var att fastställa hur de klimatförändringar... (More)
Popular Abstract in Swedish

Det norra barrskogsbältet, även kallat de boreala skogarna, sträcker sig runt hela norra halvklotet. Det utgör en tredjedel av den globala skogsytan, och innehåller hälften av den totala mängden kol finns lagrat i samtliga skogsekosystem. Trots de låga temperaturerna, den korta vegetationssäsongen och en liten mängd inkommande solenergi under året, är dessa ekosystem viktiga för det globala klimatet. De boreala skogarna är ett av få landekosystem som anses kunna lagra in en större mängd kol från atmosfären under den närmsta hundraårsperioden, och därmed, åtminstone kortsiktigt, bidra till en inbromsning av den ökande växthuseffekten. Projektets syfte var att fastställa hur de klimatförändringar som följer med den ökande halten växthusgaser i atmosfären, däribland koldioxid (CO2), kommer att påverka tillväxten hos skogsekosystem, speciellt fokuserat på granar, Picea abies, i norra Sverige. Scenariot för klimatförändringar som har använts är SWECLIMs klimatmodell, där en fördubbling av koldioxidhalten på hundra år, dvs. en ökning till 700 ppm år 2100, skulle medföra en temperaturökning på i genomsnitt 4 grader över året. Fältförsök utfördes på Flakalidens försöksområde utanför Umeå. 12 vuxna granar inneslöts i helträdskammare, där temperatur och koldioxidhalt höjdes för att simulerar fet förväntade klimatet för år 2100. Upptaget och avgivningen av CO2 hos träden följdes under tre år med hjälp av kuvetter som monterades på skott i övre delen av kronan. Det mätta utbytet av CO2 användes för att beräkna fotosynteshastigheten. Hypotesen var, att den ökade koldioxidhalten och temperaturen, var för sig och tillsammans, skulle öka granarnas fotosynteshastighet, och därmed upptaget av kol vilket styr tillväxthastigheten. Liknande studier har gjorts av ett flertal forskargrupper både inom och utanför Sverige. Denhär studien är speciell eftersom vuxna friväxande träd har studerats, för att ett extremt stort antal mätningar av gasutbytet har gjorts (~0.5 milj. per år), och för att försöket varat förhållandevis länge, från hösten 2001 till hösten 2004. Därmed har fotosyntesens utveckling under året kunnat studeras med hög tidsupplösning och parallellt inom olika behandlingar. Detta är nödvändigt för att kunna konstruera och utvärdera tillförlitliga simuleringsmodeller för att förutsäga effekterna av framtida klimat på den boreala skogen.

Fotosynteshastigheten hos granar i området runt Flakaliden är framförallt styrd av mängden inkommande ljus, lufttemperaturen, luftfuktigheten och näringsstatusen i barren. För att möjliggöra en djupare analys av hur ökningen av CO2 och årsmedeltemperatur påverkade

fotosyntesens respons mot dessa variabler, har en modell passats till mätdata. Modellen, ShootModel, består av ett antal ekvationer som beskriver hur fotosynteshastigheten drivs och begränsas av ovanstående variabler De viktigaste resultaten från studien var att kolupptaget ökade kraftigt när koldioxidhalten höjdes. Den maximala hastigheten för kolupptaget ökade med ungefär 50 %. Dessutom gjorde temperaturökningen att vegetationssäsongen startade cirka tre veckor tidigare på våren, vilket i sig ökade kolupptaget över året med 22 %. En förlängning av vegetationssäsongen är speciellt viktig på höga breddgrader, där mängden inkommande solenergi är en begränsande faktor för tillväxten under året. Även skottskjutningen påverkades av en förlängd vegetationssäsong, vilket gjorde att även årsskotten ökade sitt kolupptag under sitt första levnadsår. Kombinationen av ökad maxhastighet för kolupptag och längre vegetationssäsong medförde att granarna i förhöjd koldioxidhalt och ökad temperatur ökade sitt årliga kolupptag med 84 %, jämfört med granar i kammare som inte hade någon behandling utan följde dagens klimat. Försöket visade alltså att vi kan förvänta oss en ökad hastighet på kolupptaget hos granar i norra Sverige. Däremot kan man inte direkt översätta ökningen i fotosynteshastighet till ökad virkesproduktion, eftersom många olika faktorer spelar in, däribland tillgången på näring. I ett framtida projekt ska därför kolupptagshastigheten, som i detta projekt mättes på skottnivå, skalas upp och användas för att beräkna kolupptag och kolavgång för hela träd och skogsbestånd. (Less)
Abstract
In boreal forests, the main factors limiting biomass production are the harsh climate, which combines a short growing season and low annual levels of incoming solar energy, and the limited availability of nitrogen. These limitations will be directly affected by climate change, and may in turn substantially affect the carbon budget of the boreal forests, the production of wood and biofuel, biodiversity and other ecosystem services.

This thesis addresses the effects of climate change on the rate of carbon assimilation by boreal Norway spruce, Picea abies (L.) Karst. The study focussed on examining how the mechanisms regulating uptake of CO2 in mature, field-grown trees are affected by exposure to elevated concentrations of... (More)
In boreal forests, the main factors limiting biomass production are the harsh climate, which combines a short growing season and low annual levels of incoming solar energy, and the limited availability of nitrogen. These limitations will be directly affected by climate change, and may in turn substantially affect the carbon budget of the boreal forests, the production of wood and biofuel, biodiversity and other ecosystem services.

This thesis addresses the effects of climate change on the rate of carbon assimilation by boreal Norway spruce, Picea abies (L.) Karst. The study focussed on examining how the mechanisms regulating uptake of CO2 in mature, field-grown trees are affected by exposure to elevated concentrations of atmospheric carbon dioxide [CO2] and air temperature. The experiment was conducted at the Flakaliden research site in northern Sweden. Twelve whole-tree chambers (WTCs) were used to impose combinations of [CO2] and temperature treatments as predicted for the region in the year 2100. Shoot CO2 gas exchange was measured continuously within the chambers, using shoot cuvettes. The effect of the climate change treatments on developing shoots was studied during their first growing season; the effect of the treatments on spring recovery and annual photosynthetic performance in 1-year old shoots was also examined. The elevated temperature induced an earlier start and completion of the structural development of the current year’s shoots, as well as an earlier shift from negative to positive net carbon assimilation rate (NAR) by one to three weeks. The elevated CO2 increased

photosynthetic performance by 30% in high season. Consequently, the current year’s shoots had assimilated their own mass in carbon 20-30 days earlier under the climate change conditions than under the current climatic conditions. For the 1-year old shoots, an increase in the maximum

photosynthetic rate of ~50% was recorded, and the spring recovery of photosynthetic capacity was completed three to four weeks earlier than under the current climatic conditions. Multiple environmental variables constantly affect the NAR. A model incorporating the most important variables – light, temperature and vapour pressure deficit – was fitted to the data from the 1-year old shoots. This linked changes in the carbon assimilation rate to each of the tested variables. An artificial neural network was used to reduce the noise present in the field data, and to benchmark the performance of the model. The climate change treatment increased the temperature optimum for gross carbon assimilation from 19.7 to 24.7 °C, and the model apparent quantum yield increased from 0.042 to 0.077 mol mol-1. In total, the annual gross carbon uptake increased by 84%, compared to that under current conditions. The lengthening of the growing season increased annual gross carbon uptake by 22%. Finally, the influence of canopy processes on the rate of soil respiration and its carbon isotope signal (δ13C) were investigated. The results indicated that canopy processes are likely to have a considerable influence on soil respiration rates, and it is suggested that ecosystem carbon balance models should include plant root allocation and aboveground productivity as driving variables with respect to soil respiration and carbon sequestration. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
opponent
  • Sigurðsson, Bjarni, Agricultural University of Iceland
publishing date
type
Thesis
publication status
published
subject
keywords
bud development, climate change, empirical models, gas exchange, photosynthesis, Picea abies, seasonality, whole-tree chambers
pages
56 pages
publisher
University of Gothenburg
defense location
Carl Skottsbergs Gata 22B, Göteborg
defense date
2008-10-31 10:00
ISBN
978-91-85529-22-3
language
English
LU publication?
no
id
e3aa4212-c237-49c1-a4a9-a18170e29eeb (old id 4936343)
alternative location
http://hdl.handle.net/2077/18303
date added to LUP
2015-02-02 14:09:29
date last changed
2016-09-19 08:45:05
@phdthesis{e3aa4212-c237-49c1-a4a9-a18170e29eeb,
  abstract     = {In boreal forests, the main factors limiting biomass production are the harsh climate, which combines a short growing season and low annual levels of incoming solar energy, and the limited availability of nitrogen. These limitations will be directly affected by climate change, and may in turn substantially affect the carbon budget of the boreal forests, the production of wood and biofuel, biodiversity and other ecosystem services.<br/><br>
This thesis addresses the effects of climate change on the rate of carbon assimilation by boreal Norway spruce, Picea abies (L.) Karst. The study focussed on examining how the mechanisms regulating uptake of CO2 in mature, field-grown trees are affected by exposure to elevated concentrations of atmospheric carbon dioxide [CO2] and air temperature. The experiment was conducted at the Flakaliden research site in northern Sweden. Twelve whole-tree chambers (WTCs) were used to impose combinations of [CO2] and temperature treatments as predicted for the region in the year 2100. Shoot CO2 gas exchange was measured continuously within the chambers, using shoot cuvettes. The effect of the climate change treatments on developing shoots was studied during their first growing season; the effect of the treatments on spring recovery and annual photosynthetic performance in 1-year old shoots was also examined. The elevated temperature induced an earlier start and completion of the structural development of the current year’s shoots, as well as an earlier shift from negative to positive net carbon assimilation rate (NAR) by one to three weeks. The elevated CO2 increased<br/><br>
photosynthetic performance by 30% in high season. Consequently, the current year’s shoots had assimilated their own mass in carbon 20-30 days earlier under the climate change conditions than under the current climatic conditions. For the 1-year old shoots, an increase in the maximum<br/><br>
photosynthetic rate of ~50% was recorded, and the spring recovery of photosynthetic capacity was completed three to four weeks earlier than under the current climatic conditions. Multiple environmental variables constantly affect the NAR. A model incorporating the most important variables – light, temperature and vapour pressure deficit – was fitted to the data from the 1-year old shoots. This linked changes in the carbon assimilation rate to each of the tested variables. An artificial neural network was used to reduce the noise present in the field data, and to benchmark the performance of the model. The climate change treatment increased the temperature optimum for gross carbon assimilation from 19.7 to 24.7 °C, and the model apparent quantum yield increased from 0.042 to 0.077 mol mol-1. In total, the annual gross carbon uptake increased by 84%, compared to that under current conditions. The lengthening of the growing season increased annual gross carbon uptake by 22%. Finally, the influence of canopy processes on the rate of soil respiration and its carbon isotope signal (δ13C) were investigated. The results indicated that canopy processes are likely to have a considerable influence on soil respiration rates, and it is suggested that ecosystem carbon balance models should include plant root allocation and aboveground productivity as driving variables with respect to soil respiration and carbon sequestration.},
  author       = {Hall, Marianne},
  isbn         = {978-91-85529-22-3},
  keyword      = {bud development,climate change,empirical models,gas exchange,photosynthesis,Picea abies,seasonality,whole-tree chambers},
  language     = {eng},
  pages        = {56},
  publisher    = {University of Gothenburg},
  title        = {Effects of future climate on carbon assimilation of boreal Norway spruce},
  year         = {2008},
}