The Effects of Long-term Cessation of Grazing on Carbon Dynamics in Icelandic Grassland and Heathland

Abstract

Large herbivores are increasingly recognised as key regulators of terrestrial carbon cycling, yet empirical evidence on how long-term cessation of grazing alters carbon dynamics and storage remains limited. The aim of this PhD research is to investigate how multi-decadal cessation of grazing influences carbon fluxes and storage in sub-arctic grassland and heathland ecosystems. The study uses a network of grazer exclosures established 20-83 years ago across 34 sites in Iceland, with paired continuously grazed land. Growing-season CO₂ exchange was quantified through extensive chamber-based flux measurements and NDVI data, and carbon storage and pathways in the plant–soil system were assessed using 201 soil profiles to 60 cm depth. The study results show that across sites, long-term cessation of grazing was associated with a 37% lower growing-season net CO₂ uptake and lower vegetation greenness relative to grazed land. In topsoil (0–10 cm), soil organic carbon stocks were 8% lower in exclosures, accompanied by 21% lower fine-root biomass, while root functional traits remained largely unchanged. Grazed grassland retained both the highest net CO₂ uptake and largest SOC stocks. Cessation of grazing caused a transition toward heathland at several grassland sites, associated with lower productivity and carbon sequestration while it had more limited effects in long-established heathlands. Collectively, the findings demonstrate that sustained extensive grazing maintains higher carbon turnover, enhances below-ground carbon inputs, and supports long-term SOC storage in sub-arctic grassland. This dissertation provides comprehensive empirical evidence that grazing can function as a nature-based solution for preserving carbon sinks in sub-arctic ecosystems.Rannsóknir og áhugi á áhrifum og mikilvægi stórra grasbíta í kolefnishringrás vistkerfa hefur aukist verulega á undanförnum árum, þó beinar rannsóknir á áhrifum langtímabeitar hafi skort, einkum á norðlægum slóðum. Á Íslandi hefur úthagabeit lengi verið umdeild og áhersla lögð á að friða land, þrátt fyrir að rannsóknir á áhrifum beitarfriðunar hafi verið takmarkaðar. Markmið þessarar rannsóknar var að skoða áhrif langtíma beitarfriðunar á kolefnisbúskap íslensks láglendisúthaga. Kolefnishringrás langtíma beitarfriðunar (20-83 ár) var rannsökuð og borin saman við kolefnishringrás samliggjandi beitarsvæða á 34 völdum svæðum víðs vegar um landið. Gerðar voru meira en 2400 mælingar á CO2-flæði og blaðgrænu (NDVI). Kolefnisferli í jarðveginum var rannsakað út frá magni jarðvegskolefnis (SOC), köfnunarefni, rótarmagni og rótareiginleikum í 201 jarðvegssniði (0-60 cm). Niðurstöðurnar sýna að beitarfriðun leiddi til minni (-37%) kolefnisupptöku yfir vaxtartímann og var munurinn meiri í graslendi en mólendi. Magn jarðvegskolefnis var einnig minna (-8%) auk þess sem magn fínna róta, sem mælikvarði á uppsöfnun jarðvegskolefnis, var 21% minna á meðan rótabygging hélst svipuð í beittum og friðuðum svæðum. Beitarfriðun hafði almennt meiri áhrif í graslendi en mólendi og sérstaklega þar sem langtíma beitarfriðun leiddi til gróðurbreytinga, frá graslendi til mólendis. Þegar á heildina er litið sýna þessar niðurstöður að beit örvar kolefnisupptöku og eykur kolefnisbindingu í jarðvegi graslendis og mólendis í íslenskum láglendisúthaga.