Ecosystem scale modelling of carbon and nitrogen cycles in peatlands

Abstract

Maakera kliima soojeneb ja äärmuslikud kliimasündmused sagenevad. Seda tingivad peamiselt maakasutuse ja maakatte muutused (LULCC) ning nendest tulenevad kasvuhoonegaaside (KHG) heitmed. Sood mängivad olulist rolli globaalses süsiniku ja kasvuhoonegaaside bilansis, salvestades süsinikku muldadesse (kus seda on rohkem kui maismaa taimestikus). Ökosüsteemi, piirkondliku ja globaalse süsiniku ja KHG-bilansside koostamisel on olulised mulla veebilanss, vee liikumine mulla-taime-atmosfääri süsteemis ja ilmategurid, mis mõjutavad taimede kasvu (fotosünteetiliselt aktiivne kiirgus, aururõhu defitsiit (VPD), õhutemperatuur ja sademed). Empiiriline teadmine sellest, kuidas mulla niiskuse muutused mõjutavad mulla kasvuhoonegaaside heitkoguseid, on vajalik, mõistmaks soo-ökosüsteemides toimuvaid protsesse. Käesolev doktoritöö täidab teadmiste lünki süsiniku ja N2O voogudest ning nende põhjustest ökosüsteemi tasandil. Uuring leidis, et kasvuperioodi kambrimeetodil mõõdetud KHG bilansis oli ülekaalus CO2 ja et KHG heitmed on kõrgeimad mõõdukal mullaniiskusel. Edasised uuringud CO2 voogude kohta subarktilises madalsoos ja niiske parasvöötme taastatud rabas käsitlesid CO2 väetamis-efekti ning VPD ja mulla niiskuse muutuste mõju taimekasvule. Tulemused näitavad ka fotosünteesi saaduste jagunemist erinevatesse ökosüsteemi osadesse. Mullaniiskus hakkas taimekasvu piirama, kui veetase langes alla teatud läve. See lävi on maapinnale palju lähemal kui varem arvati. See doktoritöö aitab parandada teadmisi hüdrokliima mõjust kasvuhoonegaasidele, eriti süsiniku voogudele. Global warming and extreme climatic events are projected to increase in the future. It is expected to be driven by land-use and land-cover change (LULCC) and resulting greenhouse gas (GHG) emissions. Peatlands, play a crucial role in global carbon (C) and GHG budget by accumulating carbon (C) in soils (more than the global terrestrial vegetation). Soil water balance, movement of water in the soil-plant-atmosphere continuum, and meteorological drivers of gross primary production (GPP; shortwave radiation, vapour pressure deficit (VPD), air temperature, and precipitation) are of at most importance for ecosystem, regional, and global C and other GHG balance. Empirical knowledge of how soil moisture variations impact soil GHG emissions is essential for reducing the uncertainty around process-based understanding of peatland ecosystems. This doctoral thesis addresses the knowledge-gaps in C and N2O fluxes and its drivers at ecosystem scale. The study found that growing season chamber based GHG fluxes followed gaussian pattern to soil moisture variations and that CO2 was predominant in soil GHG exchange. Further studies on land-atmosphere exchange CO2 fluxes in sub-arctic fen peatland and drought affected temperate peatland delved into CO2 fertilisation effect and dual nature of VPD and soil moisture limitation of GPP respectively. This thesis investigated the drivers of GPP growth in the sub-Arctic using an intermediate complexity terrestrial ecosystem model of C calibrated by a Bayesian approach (model-data integration). The results also highlight the fractional allocation of photosynthate to different plant tissues and C residence times in the tissues. While soil moisture did not explain any variations in C fluxes in the high latitude site, it was a limiting factor of GPP as water table dropped below a threshold for the temperate site. This threshold is shallower than previously thought. This thesis helps to improve the hydroclimatic impact on GHG specifically C fluxes.