Historical and contemporary drivers of organic soil and charcoal carbon stocks in boreal forests

Abstract

Boreal forests are evergreen landscapes that store vast amounts of carbon belowground in the form of soil organic carbon (SOC). These ecosystems act as carbon (C) sinks in their natural state as long as temperatures remain low and decomposition rates slow. However, global warming is altering the dynamics in boreal forests, potentially turning them into carbon sources. SOC accumulation is regulated by several interlinked variables operating across different spatial and temporal scales, resulting in variation in SOC stocks across the landscape. This variation along with the multiple drivers of SOC stocks makes it challenging to monitor, maintain, and facilitate further storage of SOC in boreal forests. Although drivers of SOC accumulation are increasingly studied, the complexity and linkages between drivers – across gradients in climate, fire regimes, and vegetation – are far from fully understood.

When boreal forests burn, organic matter is consumed, and pyrogenic matter is produced, with charcoal being the most abundant form. This thesis focuses on C in organic soils and charcoal, investigating them as separate C stocks due to their difference in origin, stability, and ecological properties. The aim of this work is to enhance our understanding of how and why SOC and charcoal C stocks vary spatially within pine- and spruce-dominated boreal forests. Specifically, I explore the variation driven by hydrotopography, vegetation composition, and fire history in two boreal forest regions in south-central and southeastern Norway.

This thesis demonstrates that SOC and charcoal C stocks vary considerably across pine and spruce forest landscapes. SOC stocks were closely linked to organic soil depth, and by using organic soil depth as a proxy for SOC stocks, I present SOC stock variability at a very high resolution in these landscapes. Variability in SOC stocks within both pine and spruce forests were regulated by soil moisture, vegetation composition, and terrain slope, while organic soil nitrogen concentration was a critical factor in pine forests alone. Charcoal C stocks were influenced by topography, soil properties, and fire history. Regional differences – such as climate variation – had a minimal impact on SOC and charcoal C stocks, while forest type played a significant role, with pine forests storing more SOC and charcoal C than spruce forests.

Boreale skoger er eviggrønne landskap som lagrer enorme mengder organisk jordkarbon under bakken. Disse økosystemene fungerer som naturlige karbonlagre så lenge temperaturen og nedbrytningsraten er lav. Global oppvarming endrer imidlertid dynamikken i de boreale skogene, noe som kan føre til at de begynner å slippe ut karbon (CO2) i stedet for å fortsette opptak. Akkumulering av organisk jordkarbon reguleres av flere sammenkoblede variabler som operer på ulike skalaer i tid og rom, noe som fører til stor variasjon i mengden organisk jordkarbon i landskapet. Denne variasjonen, samt de mange drivkreftene som påvirker organisk jordkarbon, gjør det utfordrende å måle, vedlikeholde og tilrettelegge for videre lagring av organisk jordkarbon i de boreale skogene. Selv om det er forsket en hel del på disse drivkreftene, er kompleksiteten og koblingene mellom dem – på tvers av gradienter i klima, brannregimer og vegetasjon – fortsatt langt fra fullt forstått.

Når de boreale skogene brenner, konsumeres organisk materiale, og pyrogenisk materiale, hvor trekull er den dominerende formen, produseres. Denne avhandlingen setter søkelys på både organisk jordkarbon og trekullkarbon, og utforsker begge karbonlagrene, fordi de har ulikt opphav, ulik stabilitet og ulike økologiske egenskaper. Målet med dette arbeidet er å øke vår forståelse av hvordan og hvorfor organisk jord- og trekullkarbon har så stor romlig variasjon i furu- og grandominerte boreale skoger. Mer spesifikt utforsker jeg hvor stor andel av variasjonen som kan forklares av forskjeller i hydrotopografi, vegetasjonssammensetning og brannhistorikk i to boreale skogregioner i sentrale og østlige deler av Sør-Norge.

Denne avhandlingen viser at mengde organisk jord- og trekullkarbon varierer betydelig i furu- og granskogslandskap. Organisk jordkarbon viste seg å være nært knyttet til dybden av det organiske jordlaget. Ved å bruke jorddybden som en indikator for karbonmengde, presenterer jeg romlig variasjon i organisk jordkarbon i disse landskapene i detalj. Jordfuktighet, vegetasjonssammensetning og terrenghelning regulerte variasjonen i organisk jordkarbon i furu- og granskogene, mens nitrogenmengde i den organiske jorden kun var viktig i furuskogene. Topografi, jordegenskaper og brannhistorikk påvirket mengden trekull. Regionale forskjeller, som klimavariasjon, hadde minimal innvirkning på mengde organisk jord- og trekullkarbon, mens treslag hadde en nøkkelrolle – furuskogene lagret mer organisk jord- og trekullkarbon enn granskogene.