QUANTification of dissolved Organic Matter and the metabolic balance in river networks: mechanisms and model simulations of CO2 emissions

Kvantifisering av oppløst organisk materiale og metabolsk balanse i elvenettverk: mekanismer og modellsimuleringer av CO2-utslipp (QUANTOM) Vi ønsker å undersøke hvordan land og elver henger sammen for bedre å forstå den globale karbonsyklusen og elvenes næringskjeder nord for polarsirkelen. Elver kan ses som 'blodkarene' som drenerer 'jordens kropp' og transporterer enorme mengder karbon til havet, men også til atmosfæren. En stor del av dette karbonet er fra oppløst organisk materiale som vaskes ut av jorden og gir vannet en gulbrun farge. På vei til sjøen bruker bakterier på elveleiet oksygen (O2) til å transformere dette terrestriske karbonet til CO2. Denne økningen i bakterie aktivitet kan hindre andre organismer i vannet, som grønne alger, å vokse. Bakterier og alger konkurrerer om dyrebare næringsstoffer. Når denne balansen mellom bakterier og alger forstyrres (gjennom økt utslipp av karbon), endres som resultat også den metabolske balansen mellom respirasjon og fotosyntese, og dermed CO2-ustlipp, som øker). Vi har plassert ut sensorer i hele Tana-elv nettverket for å estimere daglige og årlige karbon- og O2-pulser i det akvatiske økosystemet. Vi estimerte samtidig endringene i terrestrisk landvegetasjons-aktivitet ved å bruke satellittbilder (på den daglige tidsskalaen). Vi beskrev og tok prøver av jord fra kantsoner i fire delområder med varierende landdekke for å vurdere jordkarbonbasseng og transformasjon gjennom jordhorisontene. Vi utførte et laboratorieeksperiment for å utforske skjebnen til oppløst organisk karbon fra myr til den metabolske balansen (fotosyntese, respirasjon og tilhørende CO2-utslipp) i akvatiske mikrokosmos. Vi bruker avanserte og moderne metoder for å identifisere og beskrive transformasjonen av tusenvis av molekyler (metabolitter) i jord-vann-grensesnittene og under deres reise langs elven gjennom vekstsesongen. I den andre delen av QUANTOM prosjektet, vi bygger en matematisk modell med bruk av data hentet fra Tana nedbørfeltet og eksperimentene. Modellen skal ha som mål å representere, i den enklest mulig måte, vår forståelse av karbonprosesser i store nedbørfelter på nordlige breddegrader, hvor diskontinuerlig permafrost er til stede. Vi bruker modellen for å kjøre scenarier for hvordan framtidige endringer i klima og landbruk kan påvirke hydrologi og karbon flukser i Tana.

The annual global export of carbon to rivers is higher than land carbon sequestration. Stream and rivers link the land to the oceans and play a significant role in greenhouse gas emissions contributing 85% of CO2 emissions from inland waters. A large proportion of these CO2 emissions, in the northern hemisphere, come from in-stream processes: the metabolic balance between photosynthesis and respiration. Warming is not thought to alter much the metabolic balance of streams, but changes in dissolved organic matter (DOM) supply, e.g. through thawing permafrost or changes in precipitation could greatly increase respiration activity and associated CO2 emissions, amplifying warming. QUANTOM wants to discover why and how DOM is leached from soils and transformed in the river. The primary difficulty is that DOM is made of 10,000+ different molecules with different reactivities to light, microbes, nutrients (N, P), temperature and their interactions. QUANTOM will directly estimate DOM transformation using state-of-the-art molecular characterisation of DOM telling us something about the nature of the reactions, the underlying mechanisms. QUANTOM will couple land vegetation growth with in-stream DOM transformation and associated metabolic balance using satellite observation and in-situ sensors at daily time steps. QUANTOM will test how DOM retention and transformation is affect by temperature and nutrient availability through whole ecosystem and lab experiments with biofilms (metabolic reactors), rather than bottle incubations. QUANTOM will deliver a flexible mathematical framework to model and simulate DOM transformations under global climate and land cover change, test it in the largest natural river of Scandinavia draining into the Arctic ocean, with a vision to make the modelling approach applicable globally in natural northern rivers.