Surface energy exchange and land-atmosphere interactions of Arctic and subarctic tundra ecosystems under climate change

Abstract: Popular Abstract in Swedish Energibalansen vid jordytan är av avgörande betydelse för Jordens alla ekosystem men när det gäller Arktiska och sub-Arktiska ekosystem är kunskapen bristfällig. I dynamiska system som klimatsystemet, påverkas utbytet av energi, vatten och växthusgaser av små förändringar i ekosystemen. Syftet med denna avhandling är därför att skapa ökad kunskap och en tydligare bild av energiutbytet och interaktioner mellan jordytan och atmosfären i Arktiska och sub-Arktiska ekosystem under ett förändrat klimat. Målen uppnås genom att kombinera fältmätningar av energibalansens olika komponenter, vegetationskartering, kartering av aktiva lagrets mäktighet samtoch kyvettbaserade flödesmätningar av koldioxidutbyte i Arktiska och sub-Arktiska tundra-biom på Grönland, Svalbard och i norra Sverige. Lokal variation i klimat, ytstruktur, markfuktighet och marktemperatur är de huvudsakliga drivkrafterna bakom variationerna i energiutbyte och produktivitet hos Arktiska och sub-Arktiska tundra-ekosystem. Flödena av sensibelt värme (H), latent värme (LE) samt markvärmeflöde (G) korrelerade starkt med nettostrålningen (Rnet) för all studerade lokaler. Avdunsting (ET) och LE var emellertid även under relativt stark kontroll av mättnadsångtrycksdeficitet (VPD) med något starkare kontroll för torrare tundraområden än för fuktigare sådana. Snö och permafrost hade stor påverkan på energibalansen samt på hur den tillgängliga energin fördelades mellan komponenterna och på ekosystemens produktivitet. I ett snömanipulationsexperiment i ett sub-Arktiskt tundrakomplex i norra Sverige ledde ökande snömängd till minskande permafrosten, högre markfuktighet och ökande upptag av koldioxid. Sammantaget ledde klimatinducerade ökningar i snödjup och lufttemperatur till snabb och dramatisk degradering av permafrosten i torvmarkskomplexen med omvandling från torra habitat till fuktigare sådana. Detta medförde också förändringar i energibalasen så att LE och ET ökade på bekostnad av H. Mellanårsvariation i snöackumulation i Arktiska Zackenberg på nordöstra Grönland ledde till avsevärt större ackumulerad mängd energi för samtliga energibalanskomponenter både för ett hedmarksekosystem och för ett kärrmarksekosystem under ett år med liten snöackumulation jämfört med år med stor sådan. Dessutom påverkades fördelningen av den tillgängliga energin mellan de olika energibalanskomponenterna på heden starkt av den minskade markfuktigheten eftersom snön där står för den dominerande delen av vattentillförseln under växtsäsongen. Kärrmarkens energiutbyte påverkades i mycket lägre grad av den låga snötillförseln på grund av att grundvattennivån var fortvarigt hög och nära markytan. Resultaten som presenteras i denna avhandling indikerar att ett framtida klimat med ökande degradering av permafrosten och ökande mellanårsvariation i snönederbörd kan ha avsevärd modifierande påverkan på energibalansen i Arktiska och sub-Arktiska ekosystem. Detta kan i sin tur få avsevärd påverkan på ekosystemens anpassningsförmåga samt på klimatsystemet i sig självt.