Partitioning carbon fluxes in a permafrost landscape

Abstract

Arctic tundra ecosystems have acted as a historical sink for atmospheric carbon (C). Therefore, these ecosystems contain significant amounts of carbon in their frozen soils and sediments. The function as strong C sink is a product of short summers, low temperatures, well-adapted vegetation and water saturated conditions, which causes low degradation and mineralization rates of soil organic matter (SOM). The Arctic is currently facing amplified climate warming and the rate of this warming is expected to accelerate. A number of changes are predicted in response to warming. On the one hand, warming is expected to cause the deeper thaw of permafrost affected soils leading to both the enhanced production of carbon dioxide (CO2) due to the increasing degradation of SOM, and increased methane (CH4) formation, which could create a positive climate feedback to global warming. On the other hand, due to higher temperatures the assimilation of CO2 by vegetation will increase. Therefore, it remains uncertain how the C sink function of arctic tundra landscapes will react to future changes in climate. This study aimed to determine the CO2 and CH4 fluxes at the soil-plant-atmosphere interface in an arctic tundra ecosystem and to identify the main environmental drivers of these fluxes. Furthermore, as the processes governing CO2 net ecosystem exchange (NEE) react differently on a changing climate, the CO2 fluxes were partitioned into gross primary productivity (GPP) and ecosystem respiration (Reco). Reco was further partitioned into its autotrophic (RA) and heterotrophic respiration (RH) components. The study was conducted using chamber measurements on the microscale (1 m – 10 m) in a polygonal tundra environment in the Lena River Delta in 2014 and 2015. In order to estimate the CO2 fluxes over the complete growing season in 2015, they were reproduced using flux models. This work finds the polygonal tundra in the Lena River Delta to be a robust sink for atmospheric CO2 and a source for CH4. The CO2 sink strength was highly heterogeneous on the microscale. The net CO2 uptake at a wet depressed polygonal center over the 2015 growing season was more than twice as high as measured at a drier polygonal rim. In addition to higher GPP fluxes, the differences in NEE between the two microsites were primarily caused by lower Reco fluxes at the center compared to the rim. Here, the contrasting hydrological conditions cause the CO2 flux differences between the microsites, where high water levels lead to lower decomposition rates due to anoxic conditions. For the first time, the different response of in situ measured RA and RH fluxes to hydrological conditions was determined. It was shown that a high water table can lower RA fluxes, most likely due to the submersion of plants; while a low water table lead to enhanced RH fluxes and can desiccate mosses, therefore lowering RA fluxes. The RH fluxes presented in this study are the first in situ measured RH fluxes, which cover an almost complete growing season from the vast Russian arctic tundra. The environmental parameter with the highest explanatory power for the CH4 fluxes was the active layer depth (ALD), although in general CH4 fluxes were poorly correlated with environmental parameters, which highlights the complicated identification of factors influencing CH4 fluxes. In contrast to previous studies, the dry tundra (polygonal rim) was not found to act as sink for atmospheric CH4, most probably due to the low soil temperatures and high substrate availability at the study site. The calculation of CO2 and CH4 budgets for the polygonal tundra revealed that the polygonal rims were a stronger net CO2 sink than the centers in 2015 due to the high coverage of dry tundra at the study site. Considering the global warming potential (GWP) of CH4 compared to CO2, the radiative forcing of CH4 emissions were five fold lower in magnitude than the strength of the CO2 sink in 2015. However, in 2014 both the CO2 and the CH4 budgets were marginally positive, denoting that the area functioned as a net source for atmospheric C. This finding highlights the pronounced inter-annual variability of C fluxes between the soils and atmosphere at the study site. The partitioning of CO2 fluxes provides unique insights into the individual contributions of each of the processes governing the CO2 NEE. Improved knowledge of these contributions is of crucial importance to gain a better understanding of the reaction of arctic ecosystems to changing climatic conditions as these processes react differently to environmental parameters. Estimates of the CH4 source strength of different microsites in the arctic tundra improves estimates of the C budgets from these contrasting environments. Furthermore, the presented results provide an improved understanding of the response of CO2 and CH4 fluxes to environmental controls from different arctic tundra sites, which is needed to optimize model simulations of future C fluxes.

Über lange Zeiträume wirkten Ökosysteme der arktischen Tundra als Senke für atmosphärischen Kohlenstoff. Daher befinden sich in den gefrorenen Böden und Sedimenten dieser Ökosysteme enorme Mengen organischer Substanz. Die starke Senken-Funktion ist ein Produkt kurzer Sommerperioden, niedriger Temperaturen, einer an die Bedingungen angepassten Vegetation und wassergesättigter Böden, welches zu einer geringen Zersetzungsrate organischer Substanz im Boden führt. Die momentane Erwärmung der Arktis führt unter anderem zu einem tieferen Auftauen von permafrost-beeinflussten Böden, welches eine erhöhte Freisetzung von CO2 und höhere CH4-Produktion, aufgrund steigender Zersetzung organischer Substanz, bedingt. Dies könnte zu einer weiteren Verstärkung der globalen Erwärmung führen. Die Änderungen der Umweltbedingungen bedingen jedoch auch vermehrte CO2-Aufnahme durch Pflanzen. Somit bleibt unklar, ob arktische Tundra-Ökosysteme in Zukunft eine Quelle oder Senke für atmosphärischen Kohlenstoff darstellen werden. Ziel dieser Arbeit war es, die CO2- und CH4-Austauschflüsse zwischen Boden und Atmosphäre in einem arktischen Tundra-Ökosystem zeitlich hochaufgelöst zu bestimmen und den Einfluss verschiedener Umweltfaktoren auf diese Flüsse zu ermitteln. Der CO2-Austauschfluss kann in einzelne Prozesse unterteilt werden: Die Primärproduktion sowie die Ökosystemrespiration, welche sich in autotrophe und heterotrophe Respiration aufteilt. Da diese Prozesse unterschiedlich auf sich ändernde Umweltfaktoren reagieren, wurde ihr Beitrag zum CO2-Austauschfluss einzeln ermittelt. Die Untersuchungen wurden in den Jahren 2014 und 2015 an zwei unterschiedlichen Standorten in der polygonalen Tundra auf der Insel Samoylov im Lena Delta durchgeführt. Um die Beiträge der CO2-Austauschflüsse während einer gesamten Messperiode zu bestimmen, wurden diese mit Hilfe von Modellen reproduziert. Die polygonale Tundra stellt eine robuste CO2-Senke und eine CH4-Quelle dar. Beide Austauschflüsse zeigen eine hohe Heterogenität auf kleinräumlicher Skala (1 – 10 m): In einem wassergesättigten Polygonzentrum wurde eine mehr als doppelt so hohe CO2-Aufnahme ermittelt als auf einem verhältnismäßig trockenen Polygonwall. Neben der höheren Primärproduktion führen hauptsächlich Unterschiede in der Ökosystemrespiration zu unterschiedlichen CO2-Austauschflüssen. Diese können anhand gegensätzlicher hydrologischer Bedingungen erklärt werden, da ein hoher Wasserstand eine geringere Zersetzung organischen Materials bedingt. Zusätzlich wurden unterschiedliche Reaktionen der heterotrophen und autotrophen Respiration auf hydrologische Bedingungen festgestellt: Ein hoher Wasserstand kann zur Überschwemmung der Pflanzen führen, welches eine Minderung der autotrophen Respiration bedingt. Ein niedriger Wasserstand kann wiederum zu erhöhter Zersetzung organischen Materials führen, welches die heterotrophe Respiration erhöht. Weiterhin kann ein niedriger Wasserstand Moose austrocknen und damit zu verringerter Primärproduktion führen. Die gemessenen heterotrophen Respirationsflüsse stellen die ersten in situ ermittelten Flüsse aus einem der weit verbreiteten Tundra-Gebiete der russischen Arktis dar. Die gemessenen CH4-Austauschflüsse korrelieren am besten mit der Auftautiefe. Allerdings lassen sich die Flüsse nur schwach mit verschiedenen Umweltvariablen erklären, welches die komplizierte Ermittlung der, die CH4-Produktion, -Oxidation und den Transport beeinflussenden Umweltvariablen hervorhebt. Unter Berücksichtigung des CH4 Treibhauspotenzials übertrifft die CO2-Senken-Funktion die CH4-Emissionen um etwa das Fünffache während der Messperiode in 2015. Allerdings zeigten Kalkulationen, dass das Ökosystem in 2014 eine geringe Quelle für atmosphärischen Kohlenstoff darstellte, welches die hohe inter annuelle Variabilität der Austauschflüsse verdeutlicht. Die Auftrennung des CO2-Austauschflusses in Einzelprozesse erlaubt einen einzigartigen Einblick in die Beiträge der Einzelflüsse zum gesamten CO2-Austauschfluss. Die Bestimmung der Beiträge dieser Einzelflüsse ist von hoher Bedeutung, da diese unterschiedlich auf sich ändernde Umweltbedingungen reagieren. Kenntnisse der CH4-Emissionen verschiedener Standorte der polygonalen Tundra helfen bei der Aufstellung von Kohlenstoff-Bilanzierungen für arktische Ökosysteme. Zusätzlich liefern die Resultate einen Erkenntnisgewinn zur Steuerung der Austauschflüsse durch Umweltvariablen, welcher notwendig ist, um Modell-Simulationen zukünftiger Kohlenstoff-Austauschflüsse zwischen Boden und Atmosphäre in arktischen Tundra-Ökosystemen zu verbessern.