Connecting silvan and lacustrine ecosystems : transport of carbon from forests to adjacent water bodies

The carbon cycle and hydrological cycle are closely connected combining terrestrial and aquatic ecosystems. This study focuses on important processes of the carbon cycle at plant, ecosystem and landscape levels. Carbon allocation was investigated at the seedling scale with microcosm experiments, and carbon fluxes, especially the lateral carbon fluxes from soil to adjacent water bodies, at field sites. The carbon allocation pattern differed between typical boreal tree species, but an increase in temperature did not change the net growth of seedlings, because photosynthesis and respiration increase compensated for each other. A higher temperature did not change the species composition of ectomychorrhizal fungi, but spesific species can alter carbon allocation. This study demonstrates that CO2 efflux from the soil is largely controlled by biological processes (i.e. the rate of photosynthesis and decomposition), whereas aquatic CO2 emissions are mostly affected by physical forces (i.e. convection controlling stratification). Lateral carbon flux from soil to the lake and brook was regulated by hydrology and closely connected to the riparian zone. Dissolved organic carbon (DOC) concentrations in the brook were controlled by precipitation and DOC concentrations in the soil, and rain events increased CO2 concentrations both in the riparian zone and in the brook. The large water volume of the lake buffered it against changes. It is of crucial importance to consider terrestrial and aquatic ecosystems together, since lakes and rivers act as significant pathways for terrestrially bound carbon back to the atmosphere. In the natural old-growth forest of this study, lateral carbon transport accounted for 50% and brook discharge for 19% of the terrestrial net ecosystem exchange. Thus, exclusion of the lateral carbon flux would lead to overestimation of the role of the forest as a carbon sink. However, the role of lateral transport can be less important in younger or managed forests, which are faster growing.Metsät, suot ja järvet ovat tyypillisiä havumetsävyöhykkeen ympäristöjä. Veden liikkuminen eli hydrologinen kierto ja hiilen kierto yhdistävät ne toisiinsa. Ekosysteemien välisiä hiilivirtoja tunnetaan kuitenkin verraten huonosti, koska ekosysteemejä on perinteisesti tutkittu erikseen. Ilmastonmuutoksen edetessä tulee kuitenkin yhä tärkeämmäksi tarkastella yksittäisten kohteiden sijaan kokonaisuuksia. Väitöskirjatutkimukseni tarkasteleekin maa- ja vesiekosysteemien kytkeytymistä toisiinsa. Tutkin valuma-aluetason hiilivirtoja maastomittauksin ja mallintamalla. Lisäksi tutkin laboratoriossa yksittäisten taimien yhteyttämän hiilen allokaatiota eli jakautumista juuri- ja versobiomassan kasvuun sekä hengitykseen. Tavassa, jolla eri puulajit allokoivat sidottua hiiltä maanalaisiin ja -päällisin osiin, oli lajikohtaisia eroja, jotka heijastavat sopeutumista erilaisiin olosuhteisiin. Symbionttiset mykoritsasienet ovat tärkeitä puiden kasvun kannalta ja tutkimustulosteni osoittavat tiettyjen sienilajien voivan muuttaa allokaatiosuhteita. Havaitsin myös sekä yhteytyksen että hengityksen kasvavan maan lämpötilan kohotessa, mutta muutokset kompensoivat toisensa eikä sidotun hiilen määrä muuttunut. Hiilen kiertoa säätelevät prosessit ovat erilaisia maa- ja vesiympäristöissä. Metsäekosysteemin ja ilmakehän välisiä hiilivirtoja säätelevät ennen kaikkea biologiset prosessit kuten yhteyttäminen ja hajotus, kun taas järven ja ilmakehän väliseen hiilenvaihtoon vaikuttavat voimakkaasti fysikaaliset tekijät kuten vesipatsaan kerrostuneisuutta säätelevä konvektio ja tuulen aiheuttama turbulenssi. Maaperä on vakaa ympäristö, jossa kaasut liikkuvat lähinnä molekyläärisen diffuusion avulla, kun taas vesistöissä ne kulkeutuvat liikkuvan vesimassan mukana eli turbulenttinen diffuusio on tärkeämpi. Horisontaalisesti maalta veteen liikkuvan veden mukana maaperän kaasuja ja liuenneita orgaanisia yhdisteitä päätyy vesistöihin. Metsän hiilitaseeksi kutsutaan yhteyttämällä sidotun ja hengityksessä ja hajotuksessa vapautuvan hiilimäärän erotusta. Taseen avulla voidaan arvioida metsän roolia hiilinieluna tai lähteenä. Maa- ja vesiekosysteemejä on tarkasteltava yhdessä, sillä vesistöjen kautta palautuu ilmakehään lopulta merkittäviä määriä metsissä sidottua hiiltä. Tutkimukseni osoittaa, että hiiltä poistuu metsistä veden mukana vesistöihin ja kulkeutumista säätelee erityisesti kuljettavan veden määrä. Ilmastonmuutoksen edetessäkin yleistyvien rankkasateiden jälkeen maalta vesistöihin kulkeutuvan hiilen vaikutus oli tutkimusalueellani selkein purossa. Väitöskirjatutkimukseni osoittaa, että metsistä vesistöihin kulkeutuva hiili voi pienentää metsän hiilitasetta jopa puoleen. Sen vuoksi on tärkeää tarkastella hiilitaseita maisematasolla eri ympäristöjen väliset hiilivuot huomioiden