Belowground carbon dynamics in Scots pine stands

Boreal forest soils are globally one of the most extensive carbon storages, whereas soil respiration (carbon dioxide; CO2 efflux) forms the largest carbon flux from the ecosystem to the atmosphere. Current changes in the world climate may have unpredictable effects on belowground carbon processes, and thereby, on the carbon balance of boreal forests. To better understand the various processes in soil and to quantify the potential changes in the carbon cycle, forest-floor respiration was partitioned into five different components, and tree-root respiration was estimated, using four different methods in a mature boreal Scots pine (Pinus sylvestris L.) stand in southern Finland. Non-structural carbohydrate (NSC) concentrations in tree roots were determined, and carbon allocation to belowground by trees was estimated with the whole-tree carbon model ‘CASSIA’. In addition, tree-root respiration and heterotrophic soil respiration were separated using root exclusion in seven coniferous forests along a latitudinal gradient in Northern and Central Europe. The tree-root respiration comprised almost half of the forest-floor respiration, the heterotrophic soil respiration almost a third, and ground vegetation and respiration of mycorrhizal hyphae the remaining fifth in the boreal Scots pine stand. While the annual tree-root respiration decreased throughout the first three study years, the heterotrophic soil respiration increased when the mycorrhizal roots were excluded from the treatments. The tree-root respiration and most of the NSC concentrations were higher in the warmer years and lower in the cooler, as estimated with most of the methods. Three methods resulted in rather similar tree-root respiration estimations, while the tree-root respiration estimated with root incubation was significantly lower. The tree-root respiration was over 50% of the annual photosynthesis in the northernmost forest stand, whereas in the southernmost stand it was only up to 15%. Carbon allocation to the belowground, as modelled with CASSIA was a third of the annual photosynthesis on average and almost 5% for the symbiotic mycorrhizae.Boreaaliset metsämaat ovat yksi suurimmista hiilen varastoista maailmanlaajuisesti, kun taas maahengitys (hiilidioksidipäästöt) muodostaa suurimman hiilivirran ekosysteemistä ilmakehään. Ilmastonmuutoksella voi olla arvaamattomia vaikutuksia maanalaisiin hiiliprosesseihin ja sitä kautta boreaalisten metsien hiilitaseeseen. Maaperän erilaisten prosessien ymmärtämiseksi ja mahdollisten hiilenkierron muutosten arvioimiseksi muuttuvassa ilmastossa metsänpohjan kokonaismaahengitys jaettiin viiteen eri komponenttiin ja puun juurten hengitys arvioitiin neljällä eri menetelmällä keski-ikäisessä boreaalisessa mäntymetsikössä (Pinus sylvestris L.) Etelä-Suomessa. Varastosokerien ja tärkkelyksen pitoisuudet puiden juurissa määritettiin ja juurien varastosokereiden syötteen määrä maaperään ja symbionttisille mikrobeille (sienijuurille eli mykorritsoille) arvioitiin koko puun hiilitasemallilla ’CASSIA’. Lisäksi puun juurten hengitys ja maan heterotrofisten mikrobien maahengitys erotettiin toisistaan seitsemässä eri havumetsässä mittaamalla hengitystä tavanomaisissa ympäristöissä sekä maaperässä, jossa ei ollut eläviä juuria. Puiden juurten hengitys muodosti lähes puolet kokonaismaahengityksestä, heterotrofinen maahengitys lähes kolmanneksen, ja pintakasvillisuuden sekä sienijuurten hengitys loput viidenneksen boreaalisessa mäntymetsikössä. Vuotuinen puiden juurten hengitys laski kolmen ensimmäisen tutkimusvuoden ajan, kun taas heterotrofinen maahengitys nousi niin kutsutun ’Gadgil’-ilmiön vuoksi, kun sienijuuret eristettiin pois maasta. Puiden juurten hengitys ja suurin osa varasto-hiilihydraattien pitoisuuksista olivat korkeampia lämpiminä vuosina ja alhaisempia kylmempinä. Juuret ovat alati vuorovaikutuksessa maaperän kanssa ja niiden erottaminen toisistaan on menetelmällisesti haastavaa. Kolme eri menetelmää arvioi juurten hengityksen olevan melko saman tasoista, kun taas juurihengitys yksittäisistä kaivetuista ja leikatuista juurista oli merkittävästi alhaisempaa. Leikatut juuret kaivettiin melko läheltä maan pintaa, kun taas muilla menetelmillä arvioitu juurten hengitys oli peräisin myös syvemmistä maan kerroksista, jossa kosteutta oli todennäköisesti enemmän. Juurten hengitys oli yli 50 % vuotuisesta yhteytyksestä pohjoisimmassa metsikössä, kun taas eteläisimmässä metsikössä se oli vain 15 %. Koko puun hiilitasemallilla mallinnettu hiilisyöte maahan oli keskimäärin kolmannes vuotuisesta yhteytyksestä ja lähes 5 % symbioottisille sienijuurille