Winter dynamics of the greenhouse gas exchange in a natural bog

Abstract

Northern peatlands are important in the context of the climate change. Since they comprise huge amounts of soil organic carbon and are found where the most significant greenhouse warming is predicted, they have the potential to exert major feedback effects on the global warming.
Studies of the greenhouse gas exchange in northern peatlands have mainly focused on the growing season when the soil is thawed. But recently, attention has been drawn to the importance of winter processes in the estimations of global greenhouse gas budgets.
In this study, fluxes of CO2, CH4 and N2O in a natural, nutrient-poor peatland (ombrotrophic bog) in southern Sweden were measured from February to April using a closed chamber technique. Mean fluxes during this time for CO2 and CH4 were 68.6 ± 9.9 (mean ± SEM) and 0.70 ± 0.06 mg m-2 h-1, respectively. Fluxes were significantly higher when the soil was thawed as compared to when it was frozen. Fluxes of CO2 and CH4 also correlated strongly with temperature, and revealed high temperature sensitivities around 0 °C.
Fluxes of N2O showed an interesting trend. During the time when soil was frozen, a net uptake (-0.013 ± 0.003 mg m-2 h-1) was detected. Matching the moment in time when soil thawed, the mire turned from being a sink to a source (0.020 ± 0.003 mg m-2 h-1) of atmospheric N2O. This delicate development can be ascribed to the theory that during the time when soil was frozen, N2O was the sole electron acceptor available for denitrifiers. When the soil thawed, nutrients derived from frost-killed soil organisms became available for the surviving microbial population, which allowed N2O production. More research is needed to quantify the N2O exchange in different mire sub-types, and to evaluate whether northern peatlands should be included in global N2O budgets.
This study concludes that winter processes are important, and should be taken into consideration in global greenhouse gas budgets. Temperature and freeze-thaw cycles are important factors regulating winter dynamics. The temperature sensitivity of the mire ecosystem is high at these low temperatures, which indicates that northern peatlands can act to enhance the climate change.

Abstract (Swedish)

Torvområden på det norra halvklotet är av stor vikt i forskningen kring klimat-förändringen. Eftersom de håller stora mängder organiskt kol i marken, och återfinns där den mest signifikanta uppvärmningen förväntas, har de potential att utgöra en stark feedbackeffekt på den globala uppvärmningen.
Forskningen kring växthusgasutbytet mellan mark och atmosfär i torv-områden har huvudsakligen fokuserat på växtsäsongen. Men på senare tid har växthusgasutbytet under vintertid ådragit sig ett ökat intresse, då det kan vara av stor betydelse för den årliga växthusgasbalansen.
I detta examensarbete har utbytet av CO2, CH4 och N2O studerats i en naturlig, näringsfattig myr (mosse) i södra Sverige från februari till april med hjälp av en portabel gasanalysator kopplad till aluminiumkammare. I medel var utsläppet av CO2 68,6 ± 9,9 mg m-2 h-1 (medelvärde ± SEM) och CH4 0,70 ± 0,06 mg m-2 h-1. Utsläppen då marken var frusen var statistiskt sett lägre än då marken hade töat. Utsläppen av CO2 och CH4 korrelerade också starkt med temperatur, och uppvisade hög temperaturkänslighet kring 0 °C.
Utbytet av N2O uppvisade en intressant trend. Då marken var frusen, upp-mättes ett nettoupptag (-0,013 ± 0,003 mg m-2 h-1) av myren. Då marken började töa, blev myren istället en källa (0,020 ± 0,003 mg m-2 h-1) för N2O. Denna utveckling kan förklaras med att under den tid då marken var frusen, var N2O den enda tillgängliga elektronacceptorn i denitrifikationskedjan. När den frusna marken töade, frigjordes näringsämnen från markorganismer som frusit ihjäl för den överlevande mikrobiella populationen, vilket möjliggjorde produktion av N2O. Det behövs ytterligare forskning för att kvantifiera utbytet av N2O i olika myrtyper, samt för att undersöka huruvida torvområden bör inkluderas i en global N2O budget.
Slutsatserna av denna studie är att växthusgasutbytet under vintertid är viktigt, och bör tas hänsyn till i en global växthusgasbudget. Temperatur och frys-tö cykler är faktorer som är viktiga för vinterdynamiken. Temperatur-känsligheten är hög för myren vid låga temperaturer, vilket kan vara en indi-kation på att torvområden kan förstärka klimatförändringen.

Abstract (Swedish)

Populärvetenskaplig sammanfattning: Den ökande växthuseffekten, med påföljande klimatförändringar, framträder alltmer som ett av vår tids största miljöproblem. På grund av människans industriella och agrikulturella aktiviteter har atmosfärskoncentrationen av de viktiga växthusgaserna koldioxid (CO2), metan (CH4) och lustgas (N2O) ökat drastiskt. Med hjälp av modeller och beräkningar förutspås det att jordens medeltemperatur kommer att öka med mellan 1,5 och 4,5 °C till slutet av detta århundrade. Det är även troligt att landområden på norra halvklotet värms upp mer än det globala genomsnittet, speciellt under vintern.

Torvområden är viktiga i forskningen kring hur biosfären kommer att reagera på den globala uppvärmningen. Detta med anledning av att de håller mycket organiskt kol i marken. Om nedbrytningsprocesserna ökar i dessa områden på grund av ökad temperatur, växer utsläppen av växthusgaser och klimatförändringen förstärks ytterligare.

I tidigare studier gällande växthusgasbalansen i torvmarker har man främst fokuserat på växtsäsongen. Men under senare tid har man funnit att växthusgasutsläpp under vintern kan vara stor betydelse. I ett examensarbete utfört vid institutionen för Naturgeografi och Ekosystemanalys vid Lunds universitet, studerades växthusgasdynamiken under vintern på Fäjemyren utanför Hässleholm. Huvudhypotesen var att växthusgasutbytet mellan mark och atmosfär kan fortgå fastän marken är frusen. Ytterligare hypoteser var att frost-tö cykler kan ha inverkan på växthusgasdynamiken, samt att de processer som är ansvariga för produktion och konsumtion av växthusgaser är extra känsliga för temperaturvariationer under vintern.

Resultaten visar att signifikanta utsläpp av CO2 och CH4 pågår under vintertid, även om marken är frusen. Temperaturkänsligheten är hög, speciellt för CO2, vilket innebär att en temperaturökning kan få stora konsekvenser för kolbalansen i torvområden och leda till att växthuseffekten förstärks ytterligare. Resultaten för N2O är mer komplexa. Under tiden då marken var frusen, konsumerades N2O. Men när marken töade, började myren istället släppa ut N2O till atmosfären. Detta visar att frost-tö cykler kan vara en viktig faktor för växthusgasbalansen under vintertid.

Slutsatserna man kan dra av denna studie är att hänsyn måste tas till växthusgasutbytet mellan mark och atmosfär under vintertid vid modelleringar av klimatförändringen. Det behövs även ytterligare forskning gällande utbytet av N2O mellan myrmark och atmosfär, då denna studie visar att myrmarken kan fungera både som en källa och en sänka för atmosfärisk N2O.

• author: Lund, Magnus
• supervisor: Torben Christensen; Mikhail Mastepanov; Lena Ström
• organization: Dept of Physical Geography and Ecosystem Science
• alternative title: Växthusgasdynamik på en myr under vintertid
• year: 2005
• type: H1 - Master's Degree (One Year)
• subject: Earth and Environmental Sciences
• keywords: geomorfologi, naturgeografi, climatology, cartography, denitrification, Fäjemyren, physical geography, N2O uptake, pedology, geomorphology, marklära, kartografi, klimatologi
• publication/series: Lunds universitets Naturgeografiska institution - Seminarieuppsatser
• report number: 116
• language: English
• id: 1333215
• date added to LUP: 2005-09-29 00:00:00
• date last changed: 2011-12-12 18:20:36