Decomposition responses to climate warming and sheep grazing in the high and sub-Arctic

Abstract

Tundra ecosystems are undergoing rapid environmental changes as the temperature rises at a rate unprecedented in modern human history. Permafrost soils in high latitude ecosystems contain enormous amounts of organic C and therefore play a crucial role in the global carbon cycle. If temperature changes follow current predictions, these carbon pools could potentially shift from a sink to a source of C by the end of this century due to accelerated decomposition rates. While many studies focus on the impacts of climate warming on tundra ecosystems, not as many include the impacts that herbivores can have on the ecosystem’s responses. Since herbivores can counteract some responses of tundra ecosystems to climate warming, investigation on plant–herbivore interactions is essential for understanding the responses of these ecosystems to a changing world. The main aim of this study was therefore twofold; (1) to examine how climate warming affects decomposition rates within tundra habitats in contrasting bioclimatic sub–zones in the Arctic, and (2) to examine how sheep grazing affects decomposition rates in Icelandic soils. Two different studies were carried out to test our hypotheses. The first study focused on the effects of climate warming on decomposition rates where open–top chambers (OTCs) were used to enhance temperature in five different habitats in sub–Arctic Iceland and high Arctic Svalbard. The second study focused on the effects of sheep grazing on decomposition rates where fences were used to exclude sheep grazing in two contrasting sites, within and outside the volcanically active zone in northern Iceland. In both studies protocols from the Tea Bag Index were used in order to estimate decomposition rates. Two types of commercially available tea were used to represent variable plant litter quality. In total 1,468 tea bags were buried into the ground and decomposition rates were estimated as four different decomposition variables (mass loss of green tea, mass loss of rooibos tea, stabilisation factor S and decomposition rate constant k).The effect of warming on decomposition rates differed significantly between the high and sub–Arctic. Decomposition rates were significantly higher in warming treatments in Iceland. Surprisingly, the opposite occurred in Svalbard where, in some habitats, control plots had significantly higher decomposition rates than the warming treatments. This was explained with opposite relationships in regards to some environmental variables as compared to Iceland. Short–term sheep grazing exclusion did not affect decomposition rates in Iceland and the lack of effect was consistent across both sites and habitats. Interestingly, the effects of long-term grazing exclusion on decomposition were only evident for one out of four decomposition variables after 20 years of sheep absence. The lack of effect of grazing could be caused by the intense summer grazing of sheep in Iceland which is maintaining the ecosystems in a low nutrient stock, limiting the ability of these ecosystems to recover. Thus, recovery after excluding sheep grazing will take decades or even centuries to appear.

Með hlýnandi loftslagi verða norðurheimskautasvæðin fyrir miklum umhverfisbreytingum. Á norðurhveli jarðar liggur mikið magn lífræns kolefnis bundið í sífrera jarðlögum og gegna þessi svæði því mikilvægu hlutverki í kolefnishringrás jarðar. Ef spár um hlýnun jarðar ganga eftir mun sífrerinn verða viðkvæmari fyrir þiðnun. Við það gæti aukið magn kolefnis losnað út í andrúmsloftið vegna aukins niðurbrotshraða á lífrænum efnum í jarðvegi. Margar rannsóknir hafa verið gerðar á áhrifum loftlagshlýnunar á vistkerfi á norðuhveli jarðar en minna er um rannsóknir á áhrifum grasbíta á norðlæg vistkerfi. Þar sem grasbítar geta unnið gegn svörun vistkerfa við hlýnun jarðar er einnig mikilvægt að rannsaka hlutverk grasbíta í breyttum heimi.Markmið verkefnisins var því tvíþætt; (1) að kanna hvernig niðurbrotshraði lífræns efnis breytist með hlýnandi loftslagi í mismunandi búsvæðum (e. habitat) á norðurheimskauta-svæðum, og (2) að kanna áhrif beitar á niðurbrotshraða lífræns efnis í mismunandi búsvæðum á Íslandi.Tvær rannsóknir voru settar upp til þess að prófa tilgáturnar. Í fyrri rannsókninni var lögð áhersla á að kanna hvernig niðurbrotshraði í jarðvegi breytist við loftlagshlýnun þar sem opin, gagnsæ harðplastbúr (e. open–top chambers) voru notuð til þess að hækka hitastig í tilraunareitunum, rannsóknin fór fram í fimm mismunandi búsvæðum á Íslandi og Svalbarða. Í seinni rannsókninni var hins vegar lögð áhersla á að kanna áhrif sauðfjárbeitar á niðurbrotshraða lífrænna efna þar sem sauðféi var haldið frá tilraunareitunum með girðingum, í tveimur mismunandi búsvæðum á Íslandi. Í báðum rannsóknunum var niðurbrotshraði metinn með stöðluðum aðferðum frá tengslaneti sem kennir sig við The Tea Bag Index. Tvær tegundir af tei með mismunandi niðurbrotshraða voru notaðar til þess að líkja eftir plöntuleifum. 1.468 tepokar voru grafnir í jarðveginn og niðurbrotshraði metinn með tilliti til fjögurra mismunandi niðurbrotshraðabreyta (þyngdartap græns tes, þyngdartap rauðs tes, stöðuleika þátturinn S og niðurbrotshraðinn k).Munur var á áhrifum loftlagshlýnunar á niðurbrotshraða á Íslandi og Svalbarða. Á Íslandi reyndist niðurbrotshraði vera marktækt meiri í reitunum með hærra hitastigi. Á Svalbarða var aftur á móti niðurbrotshraðinn í sumum tilfellum minni í reitunum með hærra hitastigi. Þetta var útskýrt með óbeinum áhrifum hlýnunar og búranna, á umhverfisþætti eins og jarðvegsraka og hlutfall smárunna í reitunum, en þeir þættir hafa áhrif á niðurbrotshraða. Eins árs fjarvera sauðfjárbeitar hafði engin áhrif á niðurbrotshraða í báðum búsvæðunum á Íslandi. Sömu niðurstöður fengust í sambærilegri langtímarannsókn þar sauðfjárbeit hafði verið haldið frá í 20 ár. Þessi svæði hafa verið undir mikilli sauðfjárbeit í marga áratugi, en slíkt getur valdið hnignun vistkerfa og haft áhrif á næringarhringrás þeirra. Það er því líklegt að langvarandi beit á landinu viðhaldi þessu ástandi og endurheimt vistkerfisins gæti tekið marga áratugi eða jafnvel aldir.