Soil carbon storage in the forest-tundra ecotone : insights from field- and remotely sensed data

Abstract

Due to climate warming, forests are moving to higher elevations and latitudes at the expense of treeless tundra. Recent studies suggest that these vegetation shifts promote soil organic carbon (SOC) losses that exceed aboveground carbon gains, resulting in a positive feedback to climate warming. However, confidence in this prediction is limited due to the small number of forest-tundra ecotones that has currently been sampled. To draw meaningful conclusions about the implications of treeline shifts, it is crucial to move beyond individual case studies, and consider data from a wide diversity of study sites. In addition, we urgently need to identify remotely measurable SOC stock proxies to reduce the need for expensive soil sample efforts and laboratory analyses. To address these needs, I sampled SOC stocks in the surface soil horizons of 36 forest-tundra ecotones spread along a 1100 km long latitudinal gradient in Norway. My results show that SOC stocks vary greatly within and between treeline ecotones. Interestingly, study sites with larger SOC stocks in the tundra than in the forest are mainly situated in the southern half of Norway, while study sites with larger SOC stocks in the forest than in the tundra are mostly found in the northern half of the country. Furthermore, I did not find a correlation between SOC stocks and tree biomass or tree species. SOC stocks do increase with temperature, and vary with slope steepness, slope aspect, and soil parent material. Unfortunately, terrain and vegetation variables derived from UAV-borne lidar seem to be of little help in explaining SOC stocks. From a space-for-time substitution perspective, my results suggest that tree encroachment into treeless tundra is unlikely to have short-term consequences for SOC stocks. While this study provides valuable insights into SOC stock responses to treeline shifts, it also highlights the pressing need for further research. At present, we can only account for some SOC stock variability, and we are not yet able to accurately map SOC stocks using remotely sensed data.

På grunn av den globale oppvarmingen, flytter skogen seg til høyere elevasjoner og breddegrader inn i treløs tundra. Nyere studier tyder på at disse endringene i vegetasjonssammensetning forårsaker tap av organisk jordkarbon (SOC) som overstiger økningen i karbonet lagret i vegetasjonen, og som dermed resulterer i en positiv tilbakekobling som forsterker den globale oppvarmingen. Foreløpig er usikkerheten til denne prognosen stor på grunn av det lave antallet skog-tundra økotoner som faktisk har blitt undersøkt. For å trekke meningsfulle konklusjoner om implikasjonene av forflytning av tregrensen, er det avgjørende at data fra et bredt mangfold av studieområder blir analysert. I tillegg trenger vi å identifisere indikatorer for størrelsen på lagrene av SOC som er mulig å registrere med fjernmåling for å redusere behovet for dyrt feltarbeid og dyre laboratorieanalyser. For å møte disse behovene tok jeg prøver av hvor mye SOC som er lagret i overflatejordhorisonten til 36 skog-tundra økotoner spredt langs en 1100-km lang breddegradient i Norge. Resultatene mine viser at SOC-lagrene varierer mye innenfor og mellom tregrenseøkotonene. Interessant nok er studieområder der det er større lagre av SOC i tundraen enn i skogen hovedsakelig lokalisert i den sørlige halvdelen av Norge, mens studieområder med større SOC-lagre i skogen enn på tundraen stort sett finnes i den nordlige halvdelen av landet. Videre fant jeg ingen sammenheng mellom mengden SOC og biomassen som utgjøres av trær eller hvilke treslag som var til stede. SOC lagrene øker med temperaturen, og de varierer med brattheten til terrenget, helningsretning og geologisk opphavsmateriale. Dessverre ser det ut til at terreng- og vegetasjonsvariabler hentet fra UAV-båren lidar er til liten hjelp til å forklare størrelsen på SOC lagrene. Fra et space-for-time-substitusjonsperspektiv antyder resultatene mine at forflytning av tregrensen ikke kommer til å ha kortsiktige konsekvenser for størrelsen på SOC lagrene. Selv om denne studien gir verdifull innsikt i responsen til SOC-lagrene på forflytninger av tregrensen, fremhever den også det presserende behovet for videre forskning. For øyeblikket kan vi bare forklare en del av variasjonen i SOC-lagrene, og vi er ennå ikke i stand til å kartlegge SOC-lagre nøyaktig gjennom analyse av fjernmålte data.