Mikrobiologi och kolbalans Klimatets effekt på torvmarker och torvmarkernas effekt på klimatet Håkan Rydin Evolutionsbiologiskt centrum Växtekologi och evolution

H2OH2O N2ON2O Freones CH 4 CO 2 Atmosfär IR Mats Nilsson

GWP Global warming potential CO (definition) CH N 2 O IPCC 2007

Norra halvklotets torvmarker Significance of boreal peatlands in the global carbon cycle täcke 3% av jordens landarea, men... lagrar 20-25% av jordens markkol, motsvarande 35-50% av atmosfärens CO 2 står för 5-10% av globala CH 4 -utsläpp Houweling et al. (1999) Viktiga CH 4 -källor: Våtmarker, inkl risfält Energi Idisslare

Länder med stora torvarealer Ryssland1376  10 3 km 2 Kanada1134 Indonesien266 USA224 Finland79 Sverige66 Papua New Guinea60 Brasilien55 Peru50 Kina33 Table 11.1

Ca 80% av torvmarkerna är på norra halvklotet

Total area3.8 x 10 6 km 2 Torvdjup ca 2 m Täthet (bulk density)ca 90 kg m -3 Kolinnehåll ca 50%  Kollager Gt Jämför med Kol i atmosfären (CO 2 )730 Gt Total mängd markkol1550 Gt Torv på norra halvklotet

Torvens nedbrytning Electron-Reducerad acceptorprodukt Aerob respirationO 2 H 2 O Anaerob respiration DenitrifikationNO 3 - NO 2 -, N 2 O, N 2 SulfatreduktionSO 4 2- H 2 S MetanproduktionCO 2 CH 4 Mikrobiell nedbrytning genom oxidation kräver en elektron- acceptor – syre finns bara nära torvytan

Mikrobiella redox-processer O2O2 H2OH2O NO 3 - N2N2 Mn(IV) Mn(II) Fe(III) Fe(II) SO 4 2- S 2- CO 2 CH Reaction sequence Redox potential (mV) Aerobic respiration Denitirification Mn reduction Fe reduction Sulfate reduction Methanogenesis Redox potential ( E h ) – indikerar intensiteten på oxidation och reduktion, visar vilka elektrondonatorer som är tillgängliga. Syre försvinner vid E h  300 mV,

Lägre energiutbyte längre ned i redoxkedjan Process  G (kJ/equiv) Aerob respiration125.1 Denitrifikation118.8 Jäsning29.6 Sulfatreduktion25.4 Metanproduktion23.2 Kemoautotrofer Sulfidoxidation99.8 Nitrifikation43.3 Fe(II)-oxidation82.9 Mn(II)-oxidation27.7

Metanproduktion Metan produceras av anaeroba Archaea Substratet är CO 2 + H 2 eller CH 3 COO - (acetat) energyvinst CO 2 + 4H 2  CH 4 + 2H 2 O130 kJ/mol CH 3 COO - + H 2 O  CH 4 + HCO kJ/mol Mats Nilsson

Catotelm Lowest water level Acrotelm Frequent fluctuations in water table and moisture content Intensive exchange of water with atmosphere and surroundings High hydraulic conductivity, decreasing with depth Oxic at surface; periodic access of air further down Receives material from acrotelm Very few vascular roots and invertebrates Slow decay by anaerobic microorganisms Formation of CH 4 and CO 2 Photosynthesis and plant production Dense root systems and large population of invertebrates Fast decay by aerobic microorganismcs produces CO 2 Bacterial oxidation of CH 4 to CO 2 Always below water table and water saturated Very slow exchange of water with underlying substrate and surroundings Low hydraulic conductivity Always anoxic Abiotic featuresBiotic features Highest water level Fig. 8.5

Mossens två torvlager: Akrotelm och katotelm Katotelm High water Low water Akrotelm Fluktuerande vattennivå Aerob miljö (syrefria perioder längre ned) Fotosyntes och primärproduktion) Snabb aerob nedbrytning (bildar CO 2 ) Oxidation av CH 4 till CO 2 Alltid vattenmättad Alltid anaerob Mottar successivt material från akrotelmen Långsam anaerob nedbrytning Bildning av CH 4

Fig. 12.2

streckade pilar = mikrobiella processer Kolets kretslopp organisk C i förna organisk C i torv foto- syntes respiration aerobt skikt atmosfär anaerobt skikt grundvatten DOC diffusion, bubblor CH 4 CO 2 CH 4 CO 2 rot-exudat aerenkym

Metanproduktion och -oxidation metanproduktion (Archaea) metanoxidation (bakterier) Myryta vattenyta Mats Nilsson

diffusion bubblor transport i växter (aerenkym) CH 4 -flöde från ett starrkärr Mats Nilsson

Emission av CH 4 och CO 2 CH 4 CO 2 Anoxisk zon CO 2 Oxisk zon Mats Nilsson

Anoxiska förhållanden Lågt näringsinnehåll (NPK) Förna som motstår nedbrytning – fenoler hos Sphagnum Torvmarker: netto-kolsänkor under Holocene

1.Hydrolaser är de viktigaste enzymerna vid torvnedbrytning Hydrolaser kräver inte syre  nedbrytningen kan vara effektiv även vid syrebrist 2.Sphagnum och andra växter bildar fenoler Fenoler bryts ned av fenoloxidas, som kräver syre Syrebrist  fenoler ackumuleras 3.Fenoler inhiberar hydrolas  därför ansamlas torv! Hur fenoler bidrar till torvbildning Chris Freemans “enzyme latch”

Torvackumuleringen avtar under mossens utveckling Mass per unit area Tidig mossestadium Addition to catotelm (A) Net addition by end of year (A-D) Decay in catotelm (D) Annual production in acrotelm Decay in acrotelm No net addition by end of year (A=D) Flera tusen år senare  A D

0.3 mm yr mm yr -1 Torvackumering över tid – hur mycket finns kvar? Kompaktering och längre tid med anaerob nedbrytning  mindre material återstår per år

Är torvmarker kolkällor eller kolsänkor idag? Fotosyntes Aerob nedbrytning CO 2 CH 4 Anaerob nedbrytning Mats Nilsson

1.Torvproppar med täthet (“bulk density”, kg m -3 ) och 14 C- datering  genomsnittlig torvlagring ned till daterad nivå. 2.Kyvetter som fångar gas på ytan  mäter flöden av CO 2 och CH 4 på en punkt, just nu. 3.Gasflöde från torn (“Eddy covariance”)  mäter flöden av CO 2 och CH 4 över tiden över en hel myryta. Hur mäter man torvmarkens kolbalans?

Time, T Cumulative mass per unit area, M ARCA = dM / dT LARCA = M t / t T = t RERCA ARCA – Actual rate of C accumulation (kyvetter, eddy tower) RERCA – Recent rate of C accumulation (kort torvpropp) LARCA – Long-term apparent rate of C accumulation (lång torvpropp, ända ned till torvens botten)

Kyvett för att mäta flöden av CO 2 och CH 4 Upptag eller emission av CO 2 och CH 4 mäts med infraröd gasanalys (IRGA)

Eddy covariance Mats Nilsson

Gas flux (g C m -2 day -1 ) Net flux = -49 g C m -2 year -1 Mats Nilsson

CO 2 Nettolagring Runoff CH 4 Org C CO 2 CH Kolbalans idag i en boreal minerotrof myr (g C m -2 yr -1 ) Mats Nilsson

Kvävedeposition påverkar torvbildningen

ljusnäring levande Sphagnum torv Konkurrens mellan Sphagnum och kärlväxter på en mosse Mosse  näring enbart via nederbörden

ljusnäring levande Sphagnum torv Ökad kvävedeposition mättar Sphagnum Konkurrens mellan Sphagnum och kärlväxter på en mosse

Täckning av kärlväxter Sphagnum-tillväxt N tillfört Berendse, Hoosbek, Rydin et al Kvävedeposition: minskad tillväxt hos Sphagnum expansion av kärlväxter kärlväxter bryts ned lättare än Sphagnum  minskad torvbildning

Många torvmarker har kolbalans  0 Global uppvärmning ökar nedbrytningen av torv Kvävedepostion minskar nybildning av torv Permafrost smälter  emission av metan Norra halvklotets torvmarker idag Mats Nilsson

GACGC 2000 Tropiska torvmarker

Upp till 20 m djup Bildade över 10 – år Tropiska sumpskogar

Indonesia: to convert 1 Mha peatland to rice paddies 4000 km of channels in Mega Rice Project

Commercial timber extracted, rest was burned El Nino in 1997  uncontrolled fires Total C emission: 0.8 – 2.6 Gt Compare with emission from fossil fuel: EU 3.8 Gt Russia 1.5 Gt Indonesia 0.3 Gt Mega Rice Project

Surface too dry and too acid for rice Even without fire CO 2 is released MRP abandoned Fire returns each dry season Mega Rice Project Page et al. Nature 420(2002):61-65 Riley 2005, Wise use of tropical peatlands

Torvutnyttjande i Sverige (”Produktion” av torv)

Uppsala fjärrvärmeverk torv olja kol avfall GWh

Ökande andel importeras källa SCB

Torvutredningen (SOU 2002:100) föreslog att torv ska betraktas som "långsamt förnybart biomassabränsle”. Fastställt av riksdagen 2006 på samma sätt som trädbränsle berättiga till elcertifikat. Gäller sedan 2004 Men: Är torv en förnyelsebar energikälla?

International Energy Agency: “…we currently do not consider peat as a renewable energy.” EG-kommissionens energi- och transportdirektorat: “… peat can NOT be considered either 'renewable' or 'bio fuel'.” EG-kommissionens miljödirektorat: “... the basis for the internationally agreed accounting of Greenhouse Gasses under the UNFCCC clearly state that emission from the use of peat as fuel have to be reported as a category of fossil fuel use.” Svar till torvutredningen: Torv är inte förnyelsebart inom det tidsspann som är avgörande för klimatfrågan ( år)!

Rapporter om klimatanpassat torvbruk ( N2007/4193/E ) ”Sammanfattningsvis har utredarna tydligt konstaterat att energitorv i klimatpolitiska sammanhang är att betrakta som ett fossilt bränsle och påpekat flera negativa följder av certifikat- och stödsystem för energitorv. Detta är ett stort steg framåt jämfört med den tidigare utredningen "Uthållig användning av torv" (SOU 2002:100), som stick i stäv med internationella rapportsystem för växthusgasutsläpp förordade att torven skulle ställas vid sidan av klassificeringssystem för fossila bränslen. Den starka slutsatsen är att svensk torvbrytning måste motiveras av arbetsmarknadsskäl och regionalpolitiska skäl ” Remissvar från Uppsala universitet 19 juni 2008

Efter torvbrytning Många år för att få tillbaka Sphagnum-täckning Mycket längre för att få tillbaka torvbildning Ofta skapar man ett annat ekosystem i stället för att restaurera mossen

Traditionell torvbrytning på Irland

Gamla torvgravar i Uppland

Modern torvbrytning

Återvätning genom att blockera diken

Sphagnum-etablering

”Utsåning” av Sphagnum-fragments i Kanada

Viltvatten skapat efter torvbrytning