Tree stem CH4 and N2O fluxes in various forest ecosystems

Abstract

Metaan (CH4) ja dilämmastikoksiid ehk naerugaas (N2O) on ohtlikud kasvuhoonegaasid (KHG), mille osakaal globaalses kliima soojenemises kasvab. On teada, et maismaaökosüsteemid, eriti metsad reguleerivad nende gaaside emissioone, kuid alles viimasel aastakümnel on seda hakatud neid voogusid lähemalt uurima. Erinevates kliimavööndites, metsaökosüsteemides ja puuliikide tasemel on KHG voogude taga olevate protsesside intensiivsus ja keskkonnatingimuste mõju neile voogudele erinev, mistõttu on oluline nende selgitamine ja kvantifitseerimine. Käesolevas doktoritöös uuriti puutüvede CH4 ja N2O voogude rolli kahes parasvöötme kaldaäärses metsas Eestis ja Doonau jõe vesikonnas (Austrias), troopilises palmisoos Amazonase madalikul Peruus ja troopilises vihmametsas La Reunioni saarel. Lisaks analüüsiti CH4 ja N2O voogude ajalist dünaamikat ja veetaseme mõju nendele voogudele. Uuritud parasvöötme metsamuldade kõrgema veesisalduse korral olid metaani ja naerugaasi emissioonid puutüvedest suuremad, eriti nende madalamates segmentides. Kaldaäärsete metsade puuliikide (hall lepp, harilik saar, paplid) tüveemissioonid sõltusid eeskätt veerežiimist ja temperatuurist, olles kõrgemad märjematel ja jahedatel perioodidel, kusjuures ööpäevaseid voogude muutusi ei täheldatud. Troopikas oli peamiseks teguriks sademete režiim, sest nii aasta- kui ka ööpäevaringselt on õhu- ja mullatemperatuur ühtlaselt kõrge. Seejuures oli tüvevoogude puhul sageli määravaks taimede füsioloogiliste ja morfoloogiliste parameetrite erinevus. Näiteks uuringu tulemused näitavad, et Amazonase soode palmide alumised tüveosad emiteerisid mõlemaid gaase märgatavalt vähem kui ülaosad, mis oli tõenäoliselt tingitud tüvede erinevast morfoloogiast võrreldes puudega. La Reunioni vulkaanilisel saarel täheldatud CH4 ja N2O sidumine puutüvedes oli vähem seotud mullaomadustega, seal mängisid tõenäoliselt olulist rolli tüvesid katvad samblad ja samblikud. Seni tehtud vähesed uuringud näitavad CH4 ja N2O voogude suurt varieeruvust puutüvede ja atmosfääri vahel erinevates metsaökosüsteemides. Mõnes metsas võivad puutüvede ja- võrade gaasivood olla olulisim osa nende gaaside kogubilansis, mis mõnikord muudavad need metsad süsiniku sidujatest selle allikaks. Seetõttu on puude gaasivoogude paremaks mõistmiseks ning metsade globaalse metaani- ja naerugaasibilansi selgitamiseks vajalikud täiendavad interdistsiplinaarsed, eeskätt mikrobioloogilised ja isotoopuuringud.Terrestrial ecosystems like forests play an essential role in the global carbon cycle, regulating climate and climate change by contributing to the methane (CH4) and nitrous oxide (N2O) exchange with the atmosphere. However, the complexity of various climatic zones, forest ecosystem types, tree species and their physiological dynamics cause a challenge to identify and quantify the processes and pathways behind the fluxes. This thesis investigates the specific role of CH4 and N2O fluxes from tree stems in two temperate riparian forests in Estonia and the Danube River basin (Austria), a tropical palm swamp forest in Amazonian Peru, and a tropical rain forest at the volcanic island of La Reunion. Further, their temporal dynamics and the impact of altering water tables on these fluxes are examined. Enhanced CH4 and N2O emissions at higher soil water content were found in temperate forests, especially at the lower segments of the tree stems. The investigated species (grey alder, poplar, ash) demand stable hydrological regimes to form and maintain aerenchyma to exchange gas between the tree above the water and the submerged tissues. Consequently, seasonal adaptations were identified, but diurnal changes of CH4 and N2O fluxes were not found. Observations in the tropics revealed the relevance of specific physiological and morphological parameters in trees' role as a source or sink. Amazonian palm stems formed pseudobark in the lower stem zones, likely inhibiting the radial gas exchange. The observed net uptake of CH4 and N2O by tree stems at La Reunion was less linked to adjunct soils, instead, cryptogamic covers likely play a dominating role. A limited number of studies in different forest ecosystem show high variability of CH4 and N2O exchange between tree stems and atmosphere. In some forests, tree stem fluxes can even dominate in budgets of these gases. Therefore, further complex interdisciplinary investigations are required to better understanding these relationships. Identifying microorganisms and biochemical pathways is evident for reliable estimation and further modelling of the gas exchange dynamics.