More than methane: quantifying melt-driven biogas production and nutrient export from Eurasian Arctic lowland permafrost

Karbonlagre i arktisk permafrost er sårbare ved klimaendring. Ny forskning har vist at økt mineralisering av karbon i jorden under oksiske forhold (som favoriserer CO2 produksjon) i stedet for under anoksiske forhold (som favoriserer CH4 produksjon), representerer de viktigste forsterkere av klimaendring i arktisk permafrost. Det er imidlertid mindre kjent hvordan geomorfologiske og hydrologiske prosesser kontrollerer den skiftende fordeling av oksiske og anoksiske sedimenter i arktiske lavlandsområder, slik som det er undersøkt i dette prosjektet. Prosjektet har fokusert på studier av de biogeokjemiske forhold for mikroorganismer i både aktivlaget og den øvre del av permafrosten i de typiske landskapsformer i lavlandsområder på Svalbard, som en illustrasjon på de utstrakte arktiske lavlandsområder med permafrost som finnes i Sibir og Nord-Amerika. I den norske delen av dette JPI prosjektet har to yngre forskere, Brendan O'Neill og Ebbe N. Bak vært tilsatt ved henholdsvis UNIS og HVL. De har jobbet intensivt med hhv. 1) analyse av isinnholdet og istypene i det aktive laget og permafrostens topplag (kryostratigrafiske studier) og 2) inkubasjonsforsøk med kjerner fra det aktive laget og topplaget av permafrosten med måling av mikrobiologiske parametere, begge fra LowPerm studieområdene på Svalbard. På UNIS har PhD student Graham Gilbert også samarbeidet med prosjektet, og han har innsamlet to 20 m lange permafrostkjerner, som er delt med kolleger i LowPerm prosjektet, som slik har fått tilgang til dypere permafrost fra LowPerm studie området. Den norske delen av prosjektet har primært jobbet med karakterisering av isinnhold og fysisk prosessers dynamikk i det aktive laget og topplaget av permafrosten, samt bestemmelse av endringer i de mikrobielle populasjoner og deres funksjonelle potensiale i begge lagene. Resultatene fra dette arbeid omfatter rekonstruksjon av den Holocene landskapsutvikling i LowPerm Adventdalen studieområde med fokus på deltautvikling ned gjennom dalen og på utviklingen av de forskjellige landskapsformer med permafrost i lavlandet, med varierende is-innhold. En av de viktigste landskapsformer med hensyn til muligheten for utslipp av klimagasser fra permafrosten er iskile polygoner, som har et særlig høyt isinnhold nær topplaget av permafrosten, og som om vinteren kan gi direkte utslipp av klimagasser til atmosfæren gjennom oppsprekking. Vi har derfor studert den geomorfologiske prosessaktivitet til disse landskapsformer nærmere, og laget en analyse av iskile oppsprekking ved bruk av ny teknologi i form av 1D miniakselerasjonsloggere, som har vist seg velegnet til dette formål. Vi har dessuten samlet inn og analysert en rekke kortere aktivlag og topp permafrostkjerner fra iskile polygoner i LowPerm Adventdalen området. Iskile polygonene er bla. dekket av løs avleiringer i noen deler av studieområdet, mens andre er beliggende i våtområder. Toppen av permafrosten og det aktive laget over den er av sen Holocen alder i Adventdalen, og dermed relativt ung og med meget varierende isinnhold. Fem korte permafrostkjerner fra Adventdalen ble også samlet inn i april/mai 2016. Disse har vært brukt av til atskillige analyser, inkl. høy-oppløselige XRF, inkubasjoner, kjemiske og mikrobielle analyser (DNA ekstraksjon, qPCR). Kjernene er også brukt til analyser av isinnhold i en engelsk LowPerm PhD students arbeid. Analysene ferdiggjøres først ved avslutningen av PhD studiet. Det meste av det eksperimentelle og analytiske arbeidet er nå avsluttet, men noen langtids-inkubasjoner vil kjøre i 2018 også. Endringer i forbruk/produksjon av CO2 og CH4 i inkubasjonsforsøkene ble kvantifisert ved hjelp av gasskromatografi med en termisk konduktivitetsdetektor for CO2 og en flammeionisasjonsdetektor for CH4. De foreløpige resultatene tyder på at metanproduksjon spiller en vesentlig mindre rolle for arktiske lavlandsområder enn hittil antatt. Dette understøttes av resultatene fra gassprøvene gjort i samarbeid med andre forskere i LowPerm-prosjektet. Emisjon av CO2 synes å være langt viktigere enn emisjon av CH4 fra arktiske lavlandsområder i forhold disse gassenes relevans i forhold til strålingspådriv. Vi kan også se at det skjer et skifte i sammensetningen av det mikrobielle økosystem fra topplaget av permafrost og opp til det aktive laget, som reduserer utslipp av CH4 fra arktiske lavlandsområder. Andre forskere i LowPerm-prosjektet vil bruke sesongmålinger av drivhusgassutslipp fra de ulike landskapsformene som er undersøkt til å oppskalere utslippene til hele lavlandslandskapet fra Kapp Linné til Adventdalen. I tillegg har vi analysert stabile vannisotoper i elvene i studieområdet. Den sesongmessige dynamikken i isotopsammensetningen viser systematiske forskjeller i bidragene fra sideelver i løpet av året. Disse resultatene vil bli satt sammen med hydrokjemiske analyser for å øke forståelsen av næringsstofftransporten i elver som drenerer arktiske lavlandsområder. Disse analysene vil inngå i semi-emp

The importance of the oceans for heat transfer into the Arctic means that the low altitude and very extensive permafrost lowlands here can respond quickly and significantly to climate change. In the Eurasian Arctic this causes the early onset of melt, increased active layer thickness and enhanced microbial activity. It is now known that the vast soil carbon stocks of Arctic permafrost are vulnerable to these changes, but accurate forecasting of its influence on the global climate system cannot be achieved until the following knowledge gaps are addressed: 1) Microbially-mediated processes at the active layer/permafrost interface will control the in-situ production of new biogases and nutrients in response to warming by (extrinsic) climate forcing. However, at the landscape scale, these crucial biogeochemical processes are governed by poorly understood intrinsic (hydrological, geomorphological and ecological) drivers yet to be incorporated into regional models. 2) Runoff from extensive permafrost lowlands in the Eurasian Arctic is a quantitatively important source of iron, nitrogen, phosphorus and organic matter to already highly productive marine ecosystems. The fertilisation potential of such chemical fluxes entering the sea must be urgently quantified as it will induce further change in the CO2 budget, via biological production, and thus initiate marine ecosystem change. This project will address these key issues with an integrated programme of field work, laboratory experimentation, numerical modelling and workshops. We will use Russian and Norwegian field logistics from West Spitsbergen to Siberia, and laboratories in the UK and Denmark. Major polar science practitioners from outside the consortium with expertise in regional modelling, isotope geochemistry, marine ecosystem change and biogeochemical cycling will enhance the international profile and impact of the project via knowledge exchange activities that include two workshops.