Effects of partial harvest on carbon dioxide (CO2) and methane (CH4) dynamics in boreal peatland forests soil profile
| Title: | Effects of partial harvest on carbon dioxide (CO2) and methane (CH4) dynamics in boreal peatland forests soil profile |
| Author(s): | Turunen, Pauliina |
| Contributor: | University of Helsinki, Faculty of Biological and Environmental Sciences |
| Degree program: | Master's Programme in Environmental Change and Global Sustainability |
| Specialisation: | Environmental Change |
| Language: | English |
| Acceptance year: | 2021 |
| Abstract: |
Turvemailla on tärkeä rooli hiilen kierrossa. Luonnontilaiset turvemaat ovat yleisesti ottaen hiili-dioksidin (CO2) nieluja ja metaanin (CH4) lähteitä kun taas ojitetut turvemaametsät toimivat CH4-nieluina, mutta niillä maaperän CO2-päästöt lisääntyvät verrattuna luonnontilaisiin turve-maihin. Jaksollinen metsänkasvatus ja sen jälkeen tehtävä ojien ylläpito vaikuttavat maan vesi-talouteen. Avohakkuu nostaa pohjavedenpintaa, jonka jälkeen pohjavedenpinta laskee ojien yl-läpidon ja kasvavan puuston haihdunnan seurauksena. Pohjavedenpinnan nousu ja sitä seu-raavat maaperän hapettomat olosuhteet lisäävät riskiä sille, että ojitetutkin suot voivat muuttua metaanin nielusta sen lähteeksi. Pohjavedenpinnan lasku puolestaan aiheuttaa maahan hapel-liset olosuhteet, jotka vahvistavat CH4-nieluja, mutta lisäävät CO2-päästöjä. Jatkuvapeitteises-sä metsänkasvatuksessa, jossa vain osa puista poistetaan, pohjavedenpinnan taso olisi luon-nollisesti säädelty. Pitämällä pohjavedenpinta riittävän syvällä voidaan samanaikaisesti ylläpitää CH4-nieluja, ja vähentää CO2-päästöjä. Loogisesti CO2 ja CH4 nettopäästöt ovat seurausta maaperän CO2- ja CH4-pitoisuuksista. Isotooppiarvojen avulla voidaan tulkita CO2- ja CH4 eri tuotantoreittejä, sillä eri tuotantoreitit muodostavat erilaisia hiilen isotooppiarvoja.
Tämän maisterintutkielman tavoitteena oli tutkia kuinka CO2- ja CH4-pitoisuudet sekä CO2 iso-tooppiarvot muuttuvat turvemaassa ja kuinka osittaishakkuu vaikuttaa näihin. Kaasunäytteet kerättiin vuosina 2019 ja 2020 kahden eri turvemaametsän, Lettosuon ja Paroninkorven, osit-taishakkuun ja kontrollin maaprofiileista eri syvyyksiltä (5 – 65 cm). Näytteitä kerättiin myös sammalkerroksesta. Lisäksi mitattiin pohjaveden korkeus, turpeen lämpötila ja happipitoisuus. Kaasujen pitoisuudet ja isotooppiarvot määritettiin laboratoriossa kaasukromatografilla ja iso-tooppianalysaattorilla (Picarro G2201-i).
Pohjavedenpinta ja lämpötila olivat yleisesti korkeammat osittaishakkuulla kuin kontrollilla. Kor-keimmat CO2- ja CH4-pitoisuudet mitattiin maan syvimmissä kerroksissa. Syvien (50 – 65 cm) maakerrosten CO2- ja CH4-pitoisuudet olivat korkeammat osittaishakkuulla kuin kontrollilla. Erot osittaishakkuun ja kontrollin välillä voidaan selittää osittaishakkuun korkeammalla pohja-vedenpinnalla. Mitattujen hiilidioksidin isotooppiarvojen perusteella suurin osa hiilidioksidista oli peräisin ilmakehästä tai heterotrofisesta hengityksestä ja vain <<20% oli peräisin metaanin ha-petuksesta. Vaikka sekä kontrollilla että osittaishakkuulla CH4-pitoisuudet olivat korkeammat syvissä kerroksissa, hapetusprosessit vähentävät pitoisuudet alle ilmakehän, jolloin sekä kont-rollilla että osittaishakkuulla CH4 nielut säilyvät. Osittaishakkuun CH4 nielu ei vaarannu ja hape-tusta ehtii tapahtua, vaikka vedenpinta onkin korkeammalla. Tämä pitäisi kuitenkin varmistaa kaasuvuomittauksilla.
Peatlands play an important role in the carbon cycle. Natural peatlands are in general sinks of carbon dioxide (CO2) and sources of methane (CH4), whereas drained peatland forests are CH4 sinks but their CO2 emissions increase compared to natural peatlands. Rotational even-aged forestry followed by ditch network maintenance (DNM) affect the water dynamics of the soil by increasing the water table level (WTL) first during clear-cut after which the WTL is lowered by DNM. Rising of WTL causes more anaerobic conditions and risk that CH4 sink turns into CH4 emissions. Lowering the WTL causes more aerobic conditions and strengthens the CH4 sink function but also increases CO2 emissions. In continuous cover forestry (CCF) where only part of the trees are removed, WTL would be naturally maintained. This could maintain CH4 sinks while lowering CO2 emissions by keeping the WTL at an adequate depth. Net emissions of CO2 and CH4 could be expected to follow the changes in CO2 and CH4 concentrations in soil. To understand the processes isotopic values can be used to interpret the production pathways of CO2 and CH4 since different pathways produce different isotope values.
In this master’s thesis the aim was to study how the concentration of CO2 and CH4 as well as CO2 isotope values change in a peat soil and how partial harvest affects them. Gas samples were collected from the peat profile (5 – 65cm) at two different drained peatland forests, Lettosuo and Paroninkorpi, from control plots and partial harvested plots during 2019 and 2020. Samples were also collected from the moss layer. In addition, WTL, temperature of peat and O2 concentrations were measured. Concentrations and isotope values were analysed the laboratory with gas chromatography and isotope analyser (Picarro G2201-i).
Water table level and temperature were generally higher in partial harvested areas than in control. Highest concentrations of both CO2 and CH4 were found in the deeper layers of the soil. Partial harvest had higher CO2 and CH4 concentrations in the deep layers (50 – 65cm) than control. The differences between partial harvest and control areas could be explained with the higher WTL in partial harvest. The measured isotopic values of CO2 indicated that most of the CO2 in the soil was derived from atmosphere or heterotrophic respiration and only <<20 % of CO2 was derived from CH4 oxidation. Even though both in control and in partial harvest the CH4 concentrations in the deep soil layers were high, the oxidation processes decrease the concentrations under the atmospheric CH4 concentration maintaining the CH4 sinks in both treatments. In partial harvest the CH4 sink is not in risk due to oxidation even though the WTL is higher. This should be verified with gas flux measurements.
|
| Keyword(s): | carbon dioxide methane peatland water table level isotope partial harvest |
Files in this item
| Files | Size | Format | View |
|---|---|---|---|
| Turunen_Pauliina_thesis_2021.pdf | 2.768Mb |