Moisture dynamics and carbon sequestration in boreal soils

Klodens største landbaserte karbonlager finner vi i jord hvor det er minst tre ganger så mye karbon som i levende planter og mer enn dobbelt så mye karbon som i atmosfæren. Karbonbinding i jord er derfor en viktig økosystemtjeneste med globale klimavirkninger. Det meste av klodens jordkarbon befinner seg i nordlige (boreale) skoger og myrområder, noe som skyldes et kjølig klima og langsom nedbrytning av jordkarbonet sammenlignet med tempererte og tropiske strøk. Akkurat hvor mye mer karbon det er i fuktig og dårlig drenert områder, og hvorfor, er ikke godt undersøkt. De fleste av dagens modeller underestimerer karbonlagre på slike steder, noe som også betyr at konsekvenser av klimaendringer er dårlig representert i modellene. Prosjektet Moisture dynamics and carbon sequestration in boreal soils (Mocabors) har undersøkt hvordan markfuktigheten påvirker karbondynamikken i boreal skogsjord. Vi installerte automatiske målesystemer for jordtemperatur, -fuktighet og respirasjon (CO2 utslipp) i skoger som tilhører Hurdal, Løten og Tingvoll kommune. Tidsoppløsning var på 10 minutter for hver variabel. På denne måten ble det sikkerstilt at hver nedbørs episode er dekket med observasjoner; det er kjent at nedbør har oftest veldig høy betydning for karbonfluks ut av jorda. Nye observasjonene og kunnskap kan bli benyttet til å forbedre modellene. Tidsrekker vi har opptatt på disse steder gir innsikt i dynamikken og interaksjoner mellom temperatur, jordfuktighet og resulterende respirasjon. Modelleringen i prosjektet antok at det er forskjellige prosesser som påvirker nedbrytning av organisk materiale avhengig av fuktighet og tilgang til oksygen. Vi har jobbet med den såkalte «Dual-Arrhenius Michaelis-Menten» (DAMM) modellen. Tidsrekker fra felt ble brukt til å kalibrere DAMM lokalt (Pallandt et al. 2019, 2021, to posterbidrag, et foredrag og vitenskapelig artikkel innsendt til JGR-Biogeosciences). Fordi det var også data tilgjengelig fra et spansk sted, kunne vi modellere nedbrytningsrater også for større omårder ved bruk av klimadata og jordegenskaper tatt fra en database. I grove trekk fører inklusjon av fuktighet til raskere nedbrytning det hvor der er våt og til lavere nedbrytning på tørre områder. Effekten ser ut som er størst i semiarid og i boreale strøk, og vi predikerte respirasjonsrater som er opp til 20% høyere eller lavere enn med modellen som tar hensikt kun til temperatur. Å inkludere jordfuktighet har også betydning for effekten av hydrometeorologiske ekstremhendelser (tørke kombinert med hetebølger) på karbonsyklusen (Sippel et al. 2018). Det er lettere å oppdage forekomst av ekstremhendelser innenfor målenettverk (f.eks. «Integrated Carbon Observation System») hvis man kan supplere jordfuktighet som variabel. Forskjellen i karbondynamikk på de tre målested ble også tydelig med simuleringer utført med jordsystemmodellen CLM4.5 (Lee et al. 2020). Samlet sett ser vi at jordfuktighet er veldig viktig variabel som styrer karbonlagring og -nedbrytning i jorda, rett etter temperaturen generelt og enda viktigere hvis det er enten veldig våt eller veldig tørr.

Jordfuktighet er en veldig viktig variabel som styrer karbonlagring og -nedbrytning i jorda, rett etter temperaturen generelt og enda viktigere hvis det er enten veldig våt eller veldig tørr. Jordsystem- og klimamodeller bør ta hensikt til jordfuktighet som dynamisk variabel for å simulere karbonomsetningen i jorda. Så langt er karbondynamikk i boreale (skogs-)områder trolig underestimert hvis det er kun temperatur som er tatt i betraktning.

The project addresses carbon sequestration and storage in boreal forest soils, a globally important ecosystem service. It contributes with new data for Earth System Modelling used in IPCC assessments of global climate change effects. Specifically, the effect of soil moisture on forest soil C dynamics in the boreal zone is addressed. So far, ESMs have simplistic representations of hydrology as driver of soil C dynamics. The project will improve our understanding of this key process and generate new data on soil C stocks and moisture conditions, which will be shared with the international research community. We hypothesize: - Soil moisture conditions are decisive for the dynamics of soil respiration. - Models parameterized at measurement sites can be upscaled to produce landscape soil C stocks and the resulting decomposition representation is an improvement when compared to ESMs. - Local variables can be combined in models to predict soil moisture classes, with validation against moisture measurements and/or vegetation or soil type known to reflect site hydrology. There are higher soil C stocks in poorly drained boreal forest soils than in well-drained soils. Poor drainage is very common in boreal forests and current soil carbon models underestimate soil C stocks in such wet conditions. Modelled feedback due to climate change is biased as well for these systems. Work package 1 gathers new data on soil C from the ICOS site and poorly drained soils. WP2 modifies soil C models relative to soil moisture. WP3 develops routines for calculating soil moisture at high spatial resolution, and soil moisture index maps as input to WP4. The latter integrates the Norwegian data and process knowledge in Nor-ESM. We expect this work to decrease the uncertainty in the prediction of global soil C dynamics. Furthermore, as forests play a major role in the Norwegian greenhouse gas inventory, key results will be communicated to policymakers when revising the Norwegian climate policy.