Spatial and temporal drivers of soil respiration in a tundra environment

Arktisten alueiden maaperään on varastoitunut merkittäviä määriä hiiltä, joka on peräisin kasvillisuudesta. Hiiltä vapautuu maaperästä respiraatiossa kasvien juurten ja maaperän mikrobien hajotustoiminnan seurauksena. Pohjoisen pallonpuoliskon tundra-alueilla ekosysteemiin fotosynteesin kautta sitoutunut hiilen määrä on ollut suurempi kuin respiraatiossa ilmakehään vapautuvan hiilen määrä. Kylmien ja kosteiden olosuhteiden ansiosta arktiset maaperät ovat olleet merkittävä hiilen nielu. Lämpötilojen globaali nousu ja muutokset hydrologiassa ovat kuitenkin aiheuttaneet muutoksia hiilen kierrossa maaperän ja ilmakehän välillä. Arktiset alueet ovat erityisen herkkiämuutoksille, ja ne saattavat synnyttää voimakkaita takaisinkytkentöjä ilmaston lämpenemiseen. Tekijät, jotka säätelevät maaperän respiraatiovuota, tunnetaan heikosti, erityisesti niiden keskinäiset suhteet erilaisissa ympäristöissä ja niiden ajallinen dynamiikka. Maaperän respiraation ymmärtäminen prosessina on erittäin tärkeää, jotta voitaisiin paremmin ymmärtää ja ennustaa tulevia muutoksissa hiilen kierrossa globaalisti.Tämän tutkimuksen tavoitteena olitunnistaa maaperän respiraatiota sääteleviä ympäristötekijöitä tundralla maisemamittakaavalla ja niiden merkitystä kasvukauden eri vaiheissa. Tutkimusalue olikahden tunturin välinen laakso Kilpisjärvellä, käsivarren Lapissa. Maaperän respiraatiota mitattiin käyttäen kammiomenetelmää sadalla tutkimuspisteellä 3 x 2 km alueella kolmesti kesän 2018 aikana. Alueelta kerättiin myösympäristöaineistoa maaperän mikroilmastosta ja kasvillisuuden ominaisuuksista. Ympäristötekijöiden vaikutusta respiraatioon tarkasteltiin yleistetyillä lineaarisilla malleilla käyttäen erilaisia selittävien muuttujien yhdistelmiä. Tulokset osoittivat, että runsas kasvillisuus indikoi korkeaa respiraatiota, koska kasvien karike ja juuristo tuottavat maaperän mikrobeille hajotettavaa ainesta ja muita resursseja, kuten ravinteita. Suurin respiraatio mitattiin kasvukauden huippuna, jolloin korkealämpötila aiheutti respiraation kasvua tutkimuspisteillä, jotka sijaitsivat tundraniityillä. Kasvillisuus ja maaperän laatu säätelevät siis myös respiraation lämpötilavastetta. Respiraatiovuo kasvoi lämpimässä vain paikoilla, joilla oletetaan olevan riittävästi ravinteita ja hajotettavaa aineista, jotta korkeampi respiraatio on mahdollinen. Tämän tutkimuksen mukaan maisemamittakaavalla kasvillisuuden tarjoamat resurssit ovat respiraatiolle tärkeämpiä kuin ilmastolliset tekijät sekä alueellisesti että ajallisesti.Jatkossa respiraatiotutkimus vaatii lisää empiiristä aineistoa, jotta tulevaisuuden muutoksia voidaan tarkemmin mallintaa. Etenkin respiraation valtavaan alueelliseen ja ajalliseen vaihteluun tulee kiinnittää huomiota arktisten alueiden tutkimuksessa.Arctic soils store significant amounts of carbon deposited by plants and litter. Carbon is released from the soil in respiration due to plant roots and decomposition by microbes. In the northern hemisphere, carbon inputs from photosynthesis have exceeded releases of carbon to atmosphere via respiration. Arctic soils have been a globally remarkable carbon sink due to cold and waterlogged conditions. However, rising global temperatures and changes in hydrology have caused the carbon fluxes in soil-atmosphere interface to alter. Arctic areas are considered especially vulnerable to climate change and alterations in the arctic soil carbon pools could create powerful feedbacks to warming. Furthermore, drivers controlling soil respiration flux remain poorly known, especially their contributions in different environments and their dynamics in time. Thus, understanding soil respiration as a process is vital in understanding future changes in the global carbon cycle.The aim of this study was to identify environmental drivers of soil respiration in tundra at landscape-scale and their relative importance in different stages of growing season. The study area was a valley between two fells at Kilpisjärvi, Finland. Soil respiration was measured using the chamber method in 100 study sites on the 3 x 2 km landscape three times during the summer of 2018. Environmental data on soil microclimate and vegetation properties was gathered fromthe area as well. The impact of environmental conditions to respiration flux was studied using multiple generalized linear models with different explanatory variable combinations.Results suggest that abundant vegetation causes high respiration by providing resources for belowground microbes and creating extensive root network. Highest respiration was measured in peak growing season, when elevated temperatures stimulated respiration exclusively in tundra meadows. It seems that vegetation and soil parameters also define the temperature response of respiration. The flux increased with elevated temperatures only on soils that are assumed to have adequate nutrient and carbon composition to support higher respiration. This study suggests that onlandscape-scale, the resources provided by vegetation are of bigger importance to respiration than climatic changes both spatially and temporally.Moving forward, more empiricaldata is needed in order to accurately model future changes in respiration. Intense sampling efforts from the Arctic tundra areasthatcover the large spatial and temporal variabilityof respiration are necessary