Carbon balance and component CO2 fluxes in boreal Scots pine stands

The forest vegetation takes up atmospheric carbon dioxide (CO2) in photosynthesis. Part of the fixed carbon is released back into the atmosphere during plant respiration but a substantial part is stored as plant biomass, especially in the stems of trees. Carbon also accumulates in the soil as litter and via the roots. CO2 is released into the atmosphere from these carbon stocks in the decomposition of dead biomass. Carbon balance of a forest stand is the difference between the CO2 uptake and CO2 efflux. This study quantifies and analyses the dynamics of carbon balance and component CO2 fluxes in four Southern Finnish Scots pine stands that covered the typical economic rotation time of 80 years. The study was based on direct flux measurements with chambers and eddy covariance (EC), and modelling of component CO2 fluxes. The net CO2 exchange of the stand was partitioned into component fluxes: photosynthesis of trees and ground vegetation, respiration of tree foliage and stems, and CO2 efflux from the soil. The relationships between the component fluxes and the environmental factors (light, temperature, atmospheric CO2, air humidity and soil moisture) were studied with mathematical modelling. The annual CO2 balance varied from a source of about 400 g C/m2 at a recently clearcut site to net CO2 uptake of 200 300 g C/m2 in a middle-aged (40-year-old) and a mature (75-year-old) stand. A 12-year-old sapling site was at the turning point from source to a sink of CO2. In the middle-aged stand, photosynthetic production was dominated by trees. Under closed pine canopies, ground vegetation accounted for 10 20% of stand photosynthesis whereas at the open sites the proportion and also the absolute photosynthesis of ground vegetation was much higher. The aboveground respiration was dominated by tree foliage which accounted for one third of the ecosystem respiration. Rate of wood respiration was in the order of 10% of total ecosystem respiration. CO2 efflux from the soil dominated the ecosystem respiratory fluxes in all phases of stand development. Instantaneous and delayed responses to the environmental driving factors could predict well within-year variability in photosynthetic production: In the short term and during the growing season photosynthesis follows primarily light while the seasonal variation is more strongly connected to temperature. The temperature relationship of the annual cycle of photosynthesis was found to be almost equal in the southern boreal zone and at the timberline in the northern boreal zone. The respiratory fluxes showed instantaneous and seasonal temperature relationships but they could also be connected to photosynthesis at an annual timescale.Metsän kasvillisuus sitoo ilmakehän hiilidioksidia (CO2) fotosynteesissä. Osa sidotusta hiilestä vapautuu nopeasti takaisin ilmakehään kasvien hengityksessä mutta merkittävä osa varastoituu kasveihin, ennenkaikkea puiden runkoihin. Hiiltä kertyy myös maahan kasvien karikkeena sekä juurten kautta. Näistä hiilivarastoista hiilidioksidia taas vapautuu ilmakehään kuolleen biomassan hajotessa. Metsän hiilitase on hiilidioksidin sidonnan ja vapautumisen erotus. Työssä määritettiin eri-ikäisten eteläsuomalaisten mäntymetsiköiden hiilitase ja hiilidioksidin vaihdon jakautuminen eri biomassaositteiden välillä tyypillisen 80:n vuoden hakkuukierron aikana. Työ perustui suoriin CO2-vuon mittauksiin kammioilla ja mikrometeorologisella eddy covariance -menetelmällä sekä CO2-komponenttivoiden mallintamiseen. Metsikön hiilidioksidin kokonaisvaihto jaettiin puiden ja pintakasvillisuuden fotosynteesiin, puiden lehvästön ja runkojen hengitykseen sekä maasta tulevaan CO2-vuohon. Näiden yhteyksiä ympäristötekijöihin (valo, lämpötila, ilmakehän hiilidioksidi sekä ilman ja maan kosteus) tutkittiin matemaattisten mallien avulla. Tutkituista metsiköistä avohakkuualue oli hiilidioksidin lähde, voimakkuudeltaan n. 400 g C/m2 vuodessa. 12-vuotias taimikko oli muuttumassa hiilen lähteestä hiilen nieluksi. Keski-ikäinen (40-vuotias) ja lähes hakkuukypsä (75-vuotias) metsikkö sitoivat vuodessa hiiltä 200 300 g C/m2. Keski-ikäisessä sulkeutuneen latvuston metsikössä puiden osuus fotosynteesituotoksesta oli hallitseva ja pintakasvillisuuden osuus 10 20%. Nuoremmissa metsiköissä pintakasvillisuuden suhteellinen osuus ja absoluuttinen tuotos olivat huomattavasti suuremmat. Keski-ikäisen metsikön suurin maanpäällinen hengityskomponentti oli puiden lehvästön hengitys, joka oli noin kolmannes koko metsikön hengityksestä. Puuaineksen hengitys oli suuruusluokkaa 10% kokonaishengityksestä. Kaikissa metsiköissä CO2-vuo maasta oli suurin hengityskomponentti. Välittömät ja viiveelliset vasteet ympäristötekijöihin selittivät hyvin fotosynteesituotoksen vuodenaikaista vaihtelua. Lyhyellä aikavälillä kasvukauden aikana fotosynteesinopeus seuraa lähinnä valon vaihteluita kun taas vuodenaikaisvaihtelu on voimakkaammin yhteydessä lämpötilaan. Fotosynteesin vuosisyklin ja lämpötilan yhteys oli lähes samanlainen eteläboreaalisen vyöhykkeen ja pohjoisen metsänrajan männyillä. Hengityskomponentit olivat yhteydessä lämpötilan hetkelliseen ja vuodenaikaiseen vaihteluun mutta vuositaseiden vaihtelu korreloi myös fotosynteesituotoksen kanssa