Effects of soil warming on growth processes of unmanaged subarctic grasslands

Abstract

High-latitude plant growth processes involve a range of physiological and biochemical mechanisms that allow plants to progress during relatively short growing seasons from unmature to fully developed organisms capable of reproducing. During the past decades, terrestrial ecosystems have experienced a lot of alterations from climate change, and high latitude ecosystems are affected at a faster pace compared to other terrestrial ecosystems. Therefore, it is important to study how further warming is likely to affect high-latitude plant communities, including Iceland. There are now 18 whole-soil warming experiments ongoing worldwide to increase our understanding of how plant and soil communities are likely to respond to further climate warming, and the ForHot research site is one of them. It utilises warm bedrocks below the soil profiles of known age to study the impacts of soil warming. The ForHot contains six ecosystem-level field experiments that involve different amounts of soil warming, duration of warming and N-availability in different vegetation communities. Whereof I used two grassland experiments. That is, the medium-term warming (MTW) site that has been warm since 2008 and the long-term warming (LTW) site with the same type of grassland, but where the warming has been ongoing for >60 years. To understand how subarctic grassland growth processes respond to soil warming, I looked at the first step in the plant growth processes, that is, the responses in the photosynthetic system. Secondly, I studied the duration of vegetation activity (phenology) throughout the growing season with both traditional and remote-sensing methods. Lastly, I investigated how soil warming and interannual variation affected the aboveground net primary productivity (ANPP). The main outcomes were that even if the photosynthetic capacity remained unaltered per unit leaf area under warmer conditions, the amount of community leaf area over each m2 of surface (NDVI) increased and the duration of growth lengthened with warming. Which likely resulted together in more seasonal carbon uptake and the observed increases in ANPP under warming in both grasslands. Nevertheless, the increasing ANPP was associated with a “down-regulation” at the higher warming levels, which was possibly linked to N losses from the warmed soils. Duration of warming was generally not found to be important in plant aboveground responses.

Vaxtarferlar norðlægra plantna eru samspil lífeðlisfræðilegra og lífefnafræðilegra ferla sem tryggja að hæfilegur þroski og vöxtur náist innan fremur stuttra vaxtartímabila þannig að þær verði fullþroska með getu til að fjölga sér. Á síðustu áratugum hefur veðurfar breyst, einkum á norðurslóðum, sem er farið að valda örari breytingum á gróðurfari þar en víðast annars staðar. Vegna þessa er mikilvægt að rannsaka hvernig frekari hlýnun hefur áhrif á gróður norðurslóða, þ.m.t. á Íslandi. Það eru 18 rannsóknir í gangi í heiminum þar sem allur jarðvegsprófíllinn er hitaður til að líkja eftir framtíðar hlýnun og áhrifum hennar á gróður og jarðveg. ForHot verkefnið á Íslandi er eitt þeirra. Það nýtir einstakar aðstæður á Íslandi þar sem jarðskjálftavirkni hefur valdið því að berggrunnur hitnar á ákveðnum svæðum og hitar jarðveginn sem á honum hvílir. Í ForHot eru alls sex vistkerfistilraunir sem skoða áhrif mismikillar hlýnunar, lengd hlýnunar eða N-ákomu í mismunandi gróðurlendum. Í mínu verkefni nýtti ég tvær af þessum tilraunum sem eru í náttúrulegum graslendum, MTW tilraunina sem inniheldur reiti með þar sem hlýnunin hófst árið 2008 og LTW tilraunina með sambærilegum reitum en þar sem hlýnunin hefur staðið yfir í >60 ár. Til að skilja betur hvernig frekari jarðvegshlýnun hefur áhrif gróður og hvort lengd hlýnunarinnar skiptir máli, þá rannsökuðum við fyrst hvernig áhrifin hafa verið á fyrsta skrefið í vaxtarferli plantna, ljóstillífunargetu. Því næst rannsökuðum við hvort bæði vaxtarferill og æxlunarferill platna breyttist við hlýnunina, bæði með hefðbundnum aðferðum og fjarkönnun Að lokum rannsökuðum við hvernig jarðvegshlýnun hefur breytt ofanjarðar framleiðni (ANPP) í graslendunum og hversu mikill árabreytileiki er í ANPP þeirra. Helstu niðurstöður voru þær að þrátt fyrir að ljóstillífunargeta gróðurs ykist ekki per laufflatarmál, þá gerði lengri vaxtartími með ljóstillífun og meira laufflatarmál á hvern m2 (aukið NDVI) það að verkum að ANPP jókst marktækt við hlýnun í báðum graslendunum. Hins vegar minnkað hlutfallsleg aukning í ANPP með aukinni langtíma hlýnun sem sennilega tengdist tapi á köfnunarefni út úr vistkerfinu í hlýnandi jarðvegi. Hversu langt var liðið frá því að hlýnun hófst, áratugur eða >6 áratugir, hafði ekki mikil áhrif á grósku ofanjarðar í graslendunum.