Methane flux changes during irrigation experiment in boreal upland forest soil

Metaani (CH4) on kasvihuonekaasu, jolla on merkittävä vaikutus globaaliin ilmastoon. Maaperässä sitä muodostuu hapettomissa ja kuluu hapellisissa oloissa mikrobitoiminnan tuloksena. Yhdessä erilaisten metaanin kulkeutumismuotojen kanssa metaanin tuotanto ja kulutus määräävät suoraan maaperän metaanivuota. Boreaalisten lakimetsien katsotaan yleisesti toimivan metaaninieluina korkean metaanin kulutuksen vuoksi. Joissakin tutkimuksissa on kuitenkin havaittu boreaalisen lakimetsän maaperän muuttuvan metaanin lähteeksi pitkäkestoisen ja runsaan sadannan jälkeen. Tämän tutkimuksen tavoitteena oli tarkastella maaperän kosteuden vaikutuksia metaanivuohon manipulatiivisesti kasvatetun sadannan seurauksena pohjoisboreaalisen lakimetsän maaperässä, ja sitä kuinka orgaanisen karikkeen lisäys sekä sen ja juurten eristys ja maaperän lämpötilan kasvu vaikuttavat vuon ajallisiin muutoksiin. Tutkimus toteutettiin Kenttärovan metsässä Kittilässä, Suomessa kesällä 2018. Kokeessa käytettiin osaruutuasetelmaa, jossa maaperän kosteus oli pääruutumuuttuja ja maaperän lämmitys (T), orgaanisen karikkeen lisäys (A) sekä orgaanisen karikkeen ja juurten eristys (E) osaruutumuuttujia. Asetelmassa oli kaksi pääruutua: kastelu (I) ja kontrolli (C), joiden sisällä osaruutumuuttujat toistettiin kolme kertaa. Maaperän kosteuden vaikutuksen analysoimiseksi T, A ja E-käsittelyiden lisäksi kokeessa oli mukana osaruutumuuttuja, jossa ei ollut osaruututason käsittelyä (O) ja jolla oli neljä toistoa pääruutujen sisällä. Metaanivuo mitattiin vähintään kerran viikossa kammiomenetelmällä. Lisäksi maaperän kosteutta ja lämpötilaa mitattiin jatkuvatoimisesti. Käsittelyiden vaikutuksia analysoitiin sekä autoregressiivisillä että autoregressiivisillä heterogeenisillä kaksisuuntaisilla varianssianalyyseillä, TukeyHSD-menetelmällä, korrelaatioanalyyseillä ja yleistetyillä lineaarisilla malleilla. Maaperä ei muuttunut metaanin lähteeksi mutta tulokset osoittivat merkitseviä eroja kastelun ja kontrollin välillä, mikä viittasi maaperän kosteuden voimakkaaseen metaaninielua pienentävään vaikutukseen kaikilla käsittelytasoilla. Kaikilla käsittelyryhmillä oli pienimmät nielut elokuussa mahdollisesti korkean maaperän kosteuden vuoksi. IA-ryhmä tuotti pienimmät nielut luultavasti kaasudiffuusion vähenemisen ansiosta. IE-ryhmän nielut kasvoivat kasvavan maaperän kosteuden myötä mutta E-käsittelyt tuottivat yleisesti ristiriitaisia ja epävarmoja tuloksia, ja syyt nielujen muutosten takana jäivät selvittämättömiksi. T-käsittelyllä ei ollut merkitseviä vaikutuksia nieluihin luultavasti lämpötilamanipulaation epäonnistumisen vuoksi, minkä takia maaperän kosteuden ja lämpötilan yhteisvaikutuksia ei voitu tutkia luotettavasti. Tulosten perusteella nielujen muutokset ovat todennäköisesti olleet riippuvaisempia metaanin kulutuksesta kuin tuotannosta. Lisää tutkimusta tarvitaan erityisesti karikkeen lisäyksen, maaperän kosteuden ja lämpötilan kasvun yhteisvaikutuksesta metaanivuohon ajallisia koetoistoja hyödyntäen.Methane (CH4) is a greenhouse gas with a great impact on global climate. In the soil, it is produced in anoxic and consumed in oxic conditions by microbes. Together with different methane transport mechanisms, methane production and consumption directly regulate the resulting soil methane flux. Boreal upland forests are generally considered to act as methane sinks due to high methane consumption. However, some studies have shown a boreal upland forest soil turning from a methane sink to a source after long-term abundant precipitation. This study aimed to examine the effects of soil moisture on CH4 flux from simulated increase in rainfall in a northern boreal upland forest soil, and how simultaneous soil temperature increase, organic litter addition and organic litter and root exclusion affect the temporal changes in flux. The study was conducted in Kenttärova forest in Kittilä, Finland in summer 2018. Split-plot design was used in the experiment with soil moisture being the main treatment variable and soil warming (T), organic litter addition (A) and organic litter and root exclusion (E) subtreatment variables. The design included two main plots: irrigation (I) and control (C), within which each subtreatment was replicated three times. In addition to the T, A and E manipulations, plots without additional manipulations (O) were included for the assessment of the effect of only soil moisture increase, and were replicated four times within both main plots. Methane flux was measured at least once a week using chamber method. Soil moisture and temperature were also continuously measured. The treatment effects were analysed using both autoregressive heterogeneous and autoregressive two-way analyses of variance, TukeyHSD method, variable correlations and Generalized Linear Models. The soil did not turn into a methane source but the results showed significant differences between the irrigation and control site, indicating a strong decreasing effect of soil moisture on soil CH4 sink in all treatment levels. All treatments had lowest uptake rates in August, possibly as a result from highest soil moisture levels. IA treatment was the most effective in producing low uptake rates possibly due to the reduction in gas diffusion. E treatments had contrasting results, IE showing increases in uptake rate by increases in soil moisture but the causes remained unsolved and the results were highly uncertain. T treatment had no effect on uptake likely due to a failure to create soil temperature differences and thus the interactions were not reliably analysed. The results suggest that the changes may have been more related to changes in methane consumption than production. Further research is needed especially for examining the combined effect of litter addition, soil moisture and soil temperature increase on methane flux with multiple temporal replications of the experiment