Temperature sensitivity of soil organic matter decomposition in boreal soils

The temperature sensitivity of decomposition of different soil organic matter (SOM) fractions was studied with laboratory incubations using 13C and 14C isotopes to differentiate between SOM of different age. The quality of SOM and the functionality and composition of microbial communities in soils formed under different climatic conditions were also studied. Transferring of organic layers from a colder to a warmer climate was used to assess how changing climate, litter input and soil biology will affect soil respiration and its temperature sensitivity. Together, these studies gave a consistent picture on how warming climate will affect the decomposition of different SOM fractions in Finnish forest soils: the most labile C was least temperature sensitive, indicating that it is utilized irrespective of temperature. The decomposition of intermediate C, with mean residence times from some years to decades, was found to be highly temperature sensitive. Even older, centennially cycling C was again less temperature sensitive, indicating that different stabilizing mechanisms were limiting its decomposition even at higher temperatures. Because the highly temperature sensitive, decadally cycling C, forms a major part of SOM stock in the organic layers of the studied forest soils, these results mean that these soils could lose more carbon during the coming years and decades than estimated earlier. SOM decomposition in boreal forest soils is likely to increase more in response to climate warming, compared to temperate or tropical soils, also because the Q10 is temperature dependent. In the northern soils the warming will occur at a lower temperature range, where Q10 is higher, and a similar increase in temperature causes a higher relative increase in respiration rates. The Q10 at low temperatures was found to be inversely related to SOM quality. At higher temperatures respiration was increasingly limited by low substrate availability.

Tietoa eri ikäisen maaperän orgaanisen aineksen hajotuksen lämpötilaherkkyydestä tarvitaan maaperän hiilen kiertoa kuvaavien mallien kehittämiseen, jotta voitaisiin paremmin ennustaa ilmastonmuutoksen vaikutusta maaperän hiilivarastoon. Tämä lämpötilaherkkyys vaikuttaa suuresti maaperän hiilen ja ilmastonmuutoksen välisen palautekytkennnän suuntaan ja voimakkuuteen. Tässä väitöskirjassa erilaisten maaperän orgaanisen aineen ositteiden hajotuksen lämpötilaherkkyyttä tutkittiin laboratorioinkuboinneilla, joissa eri-ikäisen orgaanisen aineen hajotuksesta peräisin oleva hiilidioksidi (CO2) eroteltiin käyttäen 13C ja 14C isotooppeja. Eri ilmasto-olosuhteissa syntyneen orgaanisen aineen laatua, sen hajotuksen lämpötilaherkkyyttä ja hajotuksesta vastaavan mikrobiyhteisön rakennetta ja toimintaa tutkittiin vertaamalla toisiinsa maanäytteitä Etelä- ja Pohjois-Suomesta. Metsämaan orgaanista kerrosta siirrettiin pohjoisesta etelään, tarkoituksena mallintaa sitä, miten lämpenevä ilmasto muuttaa pinta-kasvillisuutta, maaperän mikrobistoa ja orgaanisen aineen hajotuksen lämpötilaherkkyyttä. Kaikkein nuorin, ja helpoimmin hajoava orgaaninen aines ei ollut juurikaan lämpötilaherkkää, mikä kertoo siitä, että mikrobit pystyivät hyödyntämään sitä lämpötilasta riippumatta. Keskipitkällä aikavälillä, muutamien vuosien vuosikymmenten aikaskaalassa kiertävän orgaanisen aineen hajotus kasvoi voimakkaasti lämpötilaa nostettaessa. Satoja vuosia vanhan orgaanisen aineen hajoaminen oli taas vähemmän herkkää lämpötilalle, mikä indikoi, että jokin stabiloitumismekanismi rajoitti sen hajotusta myös korkeammissa lämpötiloissa. Merkittävä osa boreaalisten metsien pintakerrosten hiilestä on keskipitkällä aikavälillä hajoavaa, hyvin lämpötilaherkkää ainesta, mistä johtuen näistä maista voi ilmaston lämpenemisen seurauksena seuraavien vuosien ja vuosikymmenten aikana vapautua ilmakehään enemmän hiiltä, kuin on aikaisemmin arvioitu. Tulokset eivät myöskään tue hypoteesia, jonka mukaan orgaanisen aineksen hajotuksen kiihtyminen lämpötilan seurauksena olisi nopeasti ohimenevää, koska mikrobit tottuisivat korkeampaan lämpötilaan. Hajotuksen lämpötilaherkkyys oli samanlaista orgaanisen kerroksen näytteille, jotka olivat peräisin Etelä- ja Pohjois-Suomesta, eikä pohjoisten maiden siirto etelään muuttanut CO2 -tuoton lämpötilaherkkyyttä. Boreaalisten metsämaiden hiilivarasto on enemmän uhattuna ilmastonmuutoksen vuoksi lämpimämpien ilmastojen maaperään verrattuna myös siksi, että hajotuksen lämpötilaherkkyyttä kuvaava Q10 arvo (kuinka moninkertaiseksi hajotus kasvaa, kun lämpötilaa nostetaan 10 astetta) pienenee lämpötilan kasvaessa. Eli hajotuksen lämpötilaherkkyys itsessäänkin riippuu lämpötilavälistä, jolla sitä mitataan. Koska pohjoisissa maissa lämpeneminen tapahtuu alhaisella lämpötilavälillä, jossa Q10 on suurempi, sama lämpötilan nousu asteissa kiihdyttää orgaanisen aineksen hajotusta suhteellisesti enemmän. Eroja lämpötilaherkkyyden muodossa (lämpötilasta riippuvan Q10 käyrän jyrkkyydessä) oli myös metsämaan eri kerrosten välillä. Alhaisissa lämpötiloissa Q10 kasvoi orgaanisen aineksen laadun huonotessa ja korkeammissa lämpötiloissa helposti hajotettavan substraatin saatavuus alkoi enenevässä määrin rajoittaa CO2-tuottoa.