Impact of environmental conditions and soil microbiome on greenhouse gas fluxes from soil and tree stems in hemiboreal drained peatland forest

Abstract

Antud doktoritöös uuriti mulla ja puutüvede kasvuhoonegaaside (KHG) voogude aastaaegadevahelist dünaamikat hemiboreaalses kõdusoometsas, keskendudes lähemalt varasemalt väheuuritud talveperioodile ja kevadistele külmumis-sulamistsüklitele. Uuritud kõdusoometsa mulla aastakeskmine bilanss näitas CH₄ sidumist ning N₂O ja CO₂ lendumist. Talvisel perioodil, kui veetase oli kõrgem, jäid mulla CH₄ vood nullilähedaseks, suvel toimus mullas CH₄ sidumine. Sesoonsed mõõtmised näitasid, et mulla hüdroloogia mõjutab CH₄ dünaamikat pikaajaliselt, samas kui temperatuur mängib lühiajalist rolli. Mulla N₂O vooge mõjutasid kiired muutused mulla hüdroloogias, eriti külmumis-sulamissündmuste ajal. Mulla pinnasekihi sulatamine suurendas N₂O heitkoguseid, peamiselt läbi mittetäieliku denitrifikatsiooni anaeroobsetes tingimustes. Puutüved olid kõikide mõõdetud gaaside allikad ning kase tüved olid olulisemad KHG allikad kui kuuse tüved. CH₄ ja N₂O tüvevoogude ajalist dünaamikat iseloomustasid lühiajalised emissioonide piigid, mida põhjustasid CH₄ puhul pikemad kõrge veetasemega perioodid ja N₂O puhul kiired muutused mulla hüdroloogias. Nii mulla kui puutüvede sesoonsed CO₂ vood sõltusid kasvuperioodist, järgides temperatuurimuutusi. Tüvedest eralduvad KHG vood pärinevad peamiselt mullast. Puutüvedest eralduv CH₄ võib aastas tühistada ligi kolmandiku mulla CH₄ sidumise efektist. Märjemal perioodil võib see osakaal tõusta 50%-ni, tõstes esile mulla hüdroloogiliste tingimuste tugevat mõju CH₄ bilansile. Tüve N₂O vood reageerisid rohkem lühiajalistele veetaseme muutustele ja nende panus N₂O koguheitesse jäi madalaks. Tüvevood mängisid olulist rolli temperatuuri muutustega seotud CO₂ koguemissioonis. Käesoleva doktoritöö tulemused näitavad, et tüvevoogude väljajätmine metsa KHG-de bilansist võib põhjustada metsa koguheidete üle- või alahindamist.

In this doctoral thesis, seasonal patterns of soil and tree stem greenhouse gas (GHG) fluxes were studied in a hemiboreal drained peatland forest, focusing more closely on the previously understudied winter period and spring freeze-thaw cycles. The study found that the soil was a net annual sink for CH₄ but a source of N₂O and CO₂. Soil CH₄ fluxes remained near-zero during the dormant season but showed significant CH₄ uptake in the drier period. Seasonal measurements highlighted that soil hydrology had a long-term impact on CH₄ dynamics, while temperature played a more short-term role. Rapid changes in soil hydrology influenced soil N₂O fluxes, particularly during freeze-thaw events. Soil thawing increased N₂O emissions, primarily due to incomplete denitrification under prolonged anaerobic conditions. Tree stems emitted all measured gases, with birch stems playing a more significant role than spruce stems. Stem CH₄ and N₂O fluxes exhibited isolated emission peaks, driven by prolonged wetter periods for CH₄ and rapid hydrological changes for N₂O. Stem CO₂ release followed a seasonal trend, influenced by temperature and photosynthesis. Stem-emitted GHGs likely had a primarily belowground origin. Stem CH₄ emissions offset nearly a third of the soil sink annually, rising to almost half during wetter periods, highlighting the strong impact of soil hydrological conditions on CH₄ dynamics. Stem N₂O fluxes responded more to short-term hydrological changes, and their contribution to total N₂O emissions remained low. Stem fluxes significantly contributed to total CO₂ release, relating to the growing season. Neglecting stem fluxes can lead to inaccurate estimations of forest GHG budgets, underscoring the necessity of integrating these measurements for a comprehensive understanding of GHG dynamics in forest ecosystems.