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

En presentation över ämnet: "Mikrobiologi och kolbalans Klimatets effekt på torvmarker och torvmarkernas effekt på klimatet Håkan Rydin Evolutionsbiologiskt centrum Växtekologi och."— Presentationens avskrift:

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

2 H2OH2O N2ON2O Freones CH 4 CO 2 Atmosfär IR Mats Nilsson

3 GWP Global warming potential CO 2 - 1 (definition) CH 4 - 25 N 2 O - 298 IPCC 2007

4 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

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

6 Ca 80% av torvmarkerna är på norra halvklotet

7 Total area3.8 x 10 6 km 2 Torvdjup ca 2 m Täthet (bulk density)ca 90 kg m -3 Kolinnehåll ca 50%  Kollager270-370 Gt Jämför med Kol i atmosfären (CO 2 )730 Gt Total mängd markkol1550 Gt Torv på norra halvklotet

8 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

9 Mikrobiella redox-processer O2O2 H2OH2O NO 3 - N2N2 Mn(IV) Mn(II) Fe(III) Fe(II) SO 4 2- S 2- CO 2 CH 4 0 200 400 600 -200 Reaction sequence Redox potential (mV) 125 112 95 24 18 14 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,

10 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

11 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 3 - 32 kJ/mol Mats Nilsson

12 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

13 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

14 Fig. 12.2

15 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

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

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

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

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

20 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”

21 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

22 0.3 mm yr -1 0.8 mm yr -1 Torvackumering över tid – hur mycket finns kvar? Kompaktering och längre tid med anaerob nedbrytning  mindre material återstår per år

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

24 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?

25 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)

26 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)

27 Eddy covariance Mats Nilsson

28

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

30 CO 2 Nettolagring Runoff CH 4 Org C CO 2 CH 4 2004 55 19 14 6 0.4 27 Kolbalans idag i en boreal minerotrof myr (g C m -2 yr -1 ) Mats Nilsson

31 Kvävedeposition påverkar torvbildningen

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

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

34 Täckning av kärlväxter Sphagnum-tillväxt N tillfört Berendse, Hoosbek, Rydin et al. 2001 Kvävedeposition: minskad tillväxt hos Sphagnum expansion av kärlväxter kärlväxter bryts ned lättare än Sphagnum  minskad torvbildning

35 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

36 GACGC 2000 Tropiska torvmarker

37 Upp till 20 m djup Bildade över 10 – 35 000 år Tropiska sumpskogar

38 Indonesia: to convert 1 Mha peatland to rice paddies 4000 km of channels in 1996-98 Mega Rice Project

39 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

40 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

41 Torvutnyttjande i Sverige (”Produktion” av torv)

42 Uppsala fjärrvärmeverk 1980 2000 1990 torv olja kol avfall 0 1000 2000 GWh

43 Ökande andel importeras källa SCB

44 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?

45 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 (50-100 år)!

46 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

47 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

48 Traditionell torvbrytning på Irland

49 Gamla torvgravar i Uppland

50 Modern torvbrytning

51

52

53

54 Återvätning genom att blockera diken

55

56 Sphagnum-etablering

57 ”Utsåning” av Sphagnum-fragments i Kanada

58 Viltvatten skapat efter torvbrytning