The importance of root zone processes for the emissions of greenhouse gases from northern wetlands

The greenhouse gas (CO2 and CH4) exchanges in northern wetlands are affected by presence of vascular plants. The mechanisms at function are, however, largely unknown. The root adjacent zone is characterized by intense interactions between plants and their environment and many important processes relating to carbon turnover of ecosystems are taking place in this zone. A fairly large amount of the carbon assimilated by plants through photosynthesis is continuously released from the roots. These labile carbon compounds can serve as substrate for the methanogenic bacterial community of the root zone and have a substantial effect on CH4 production in the soil. Thus, even small environmental changes affecting root zone processes could have far-reaching consequences for the functioning of wetland ecosystem and their interaction with the atmosphere. The increased CO2 concentration in the atmosphere, a changing climate and increased atmospheric deposition rates are all examples of potential human-induced environmental problems of which we can only fully comprehend the ecosystem consequences if we understand how they affect processes in the root zone. The objectives of this project aim to broaden the existing knowledge about carbon circulation in wetlands.

Utbytet av växthusgaserna CO2 och CH4 från nordliga våtmarksekosystem är av betydelse både för ”naturliga” variationer i klimatet och för en eventuell temperaturhöjning till följd av mänsklig aktivitet (växthuseffekten). Det är sedan tidigare känt att förekomst av kärlväxter påverkar gasutbytet på våtmarker. Mekanismerna bakom denna påverkan är däremot i stort sett okända. Den rotnära zonen utmärks av intensiva interaktioner mellan växterna och deras omgivning. En stor andel av det kol som assimileras av växter genom fotosyntesen skickas till rotzonen för tillväxt och underhåll av rötter och vidare ut till jorden som rotutsöndringar. De kolföreningar som utsöndras av växtrötter är ofta en lättillgänglig födokälla för de mikroorganismer som lever i den rotnära zonen. Den goda tillgången på föda leder ofta till att mikroorganismerna frodas och att de kolföreningar som utsöndras snabbt omsätts med avgivning av växthusgaser från ekosystemet som följd, under goda syreförållanden avges CO2 medan syrefattiga förhållanden leder till avgivning av CH4 från systemet.

Många viktiga processer av stor betydelse för cirkulationen av kol och näringsämnen inom ekosystemet äger alltså rum i den rotnära zonen. Detta innebär att även små miljöförändringar i nordliga våtmarksekosystem som i sin tur påverkar processerna (utsöndring från växtrötte och mikrobiell nedbrytning av dessa) i rot zonen kan få långtgående effekter på kolcirkulationen och därmed gasutbytet av CO2 och CH4 från dessa ekosystem. Den ökade CO2 koncentrationen i atmosfären, klimatförändringar och ökad atmosfärisk deposition är några exempel på miljöproblem orsakade av människan vars påverkan på ekosystemet vi enbart kan förstå till fullo om vi förstår de processer och interaktioner som äger rum i den rotnära zonen.
Frågeställningar:
1.Hur påverkas avgivningen av växthusgaserna CO2 och CH4 från nordliga våtmarks ekosystem av processer i den rotnära zonen, t.ex. rotutsöndring av kolföreningar och mikrobiell nedbrytning av dessa.
2.Klargöra vilka faktorer som i huvudsak påverkar utsöndringen från kärlväxter i dessa ekosystem
3.Undersöka hur processer i den rotnära zonen reagerar på miljöförändringar, t.ex. klimat, nederbördsmängd, mängd solinstrålning, kväve deposition och näringshalt i jorden.
4.Klargöra hur miljöförändringar till följd av mänsklig aktivitet kan påverka kolcirkulationen i dessa ekosystem.

Försöksuppställning:
För att belysa ovanstående frågeställningar tänker jag använda ett flertal olika metoder som var för sig belyser en del av kolets kretslopp och som kombinerade med varandra avsevärt kan förbättra vår förståelse av kolcirkulationen i nordliga våtmarker. De viktigaste metoderna är: 1) Analys av naturligt förekommande stabila isotoper i avgivna växthusgaser, detta kan tala om i vilken nedbrytningskedja växthusgaserna har sitt ursprung. 2) BioLC som är att avancerat jonkromatografisystem och gör det möjligt att bestämma vilka kolföreningar som finns i den rotnära zonen. 3) Två typer av 14C-inmärkning a) tillsatts av 14C-inmärkt kolföreningar till rotzonen, detta kan ge svar på vilka föreningar som bryts ner, hur fort detta går och vilken växthusgas som avges från systemet och b) puls inmärkning med 14CO2 som assimileras i fotosyntesen och gör det möjligt att följa kolets cirkulationsväg via växten ut i marken och sedan vidare till atmosfären i form av växthusgaser. Dessa metoder skall användas i intakta torv/växt/mikroorganism system som hämtas från ett antal olika nordliga våtmarker.