University of Oulu

Ecosystem-level consequences of climate warming in tundra under differing grazing pressures by reindeer

Saved in:
Author: Väisänen, Maria
Organizations: University of Oulu Graduate School
University of Oulu, Faculty of Science, Department of Biology
University of Lapland, Arctic Centre
Format: eBook
Online Access: PDF Full Text (PDF, 2.1 MB)
Persistent link: http://urn.fi/urn:isbn:9789526207001
Language: English
Published: Oulu : University of Oulu, 2014
Publish Date: 2014-12-08
Thesis type: Doctoral Dissertation
Defence Note: Academic dissertation to be presented with the assent of the Doctoral Training Committee of Technology and Natural Sciences of the University of Oulu for public defence in Kuusamonsali (YB210), Linnanmaa, on 18 December 2014, at 12 noon
Tutor: Doctor Sari Stark
Doctor Sofie Sjögersten
Reviewer: Professor Anders Michelsen
Associate Professor Riikka Rinnan
Opponent: Professor Philip Wookey
Description:

Abstract

Grazing by reindeer (Rangifer tarandus L.) affects vegetation and soil microbial processes in tundra ecosystems. It is considered that grazing can induce two alternative vegetation states that differ in plant species composition and the rate of nutrient cycling. I hypothesised that these alternative vegetation states differ in ecosystem responses to climate warming. I tested the hypothesis using a factorial warming and fertilisation experiment on long-term lightly grazed (LG) and heavily grazed (HG) tundra.

The reindeer grazing induced vegetation shift from dwarf shrubs to graminoids increased microbial activities for SOM decomposition. The grazer-induced shifts in vegetation and microbial activities in combination with the fertilisation via urine and faeces had important consequences on soil N availability and soil C quality that determined the ecosystem-level consequences of climate warming. Due to higher soil N availability, warming increased plant productivity (GEP) on HG but not on LG tundra, where N limitation prevented the warming-increased plant production. The varying effects of warming on GEP at different grazing intensities determined the effects of warming on ecosystem net C sink, which was unaffected by warming on HG but decreased on LG tundra. Reindeer grazing reduced the soil C quality, as soils under LG stored a higher proportion of carbohydrates vulnerable to microbial decomposition than soils under HG. According to laboratory soil incubations, the grazer-induced reduction in soil C quality mitigated the responses of soil microbial activity to prolonged warming. Warming caused a stronger decrease in concentrations of phenolics, an important means of plant defence against biotic and abiotic stresses, in Empetrum nigrum ssp. hermaphroditum under HG than LG.

Grazing history by reindeer, with the associated vegetation shift from dwarf shrubs to graminoids, can significantly alter the ecosystem-level consequences of climate warming. Overall, this thesis highlights that the effects of reindeer grazing on soil properties, soil N availability and C quality, are important determinants of the ecosystem responses to climate warming. Therefore, future research on climate warming should take into account herbivores and aim towards a more holistic approach that includes both aboveground and belowground components of the ecosystem.


Tiivistelmä

Tundralla porolaidunnus vaikuttaa kasvillisuuteen ja maaperän mikrobien toimintaan. Porolaidunnus voi aikaansaada kaksi vaihtoehtoista kasvillisuuden tilaa, jotka eroavat toisistaan paitsi kasvilajiston myös ravinnekierron suhteen. Esitin hypoteesin, jonka mukaan ilmaston lämpenemisen vaikutukset eroavat tundratyypeillä, jotka edustavat vaihtoehtoisia kasvillisuustiloja. Testasin hypoteesia faktoriaalisen lämmitys- ja lannoituskokeen avulla tundra-alueilla, joilla poron laidunnuspaine on ollut pitkäaikaisesti joko kevyttä tai voimakasta.

Poron aiheuttama kasvillisuusmuutos varpuvaltaisesta heinävaltaiseksi lisäsi maaperän mikrobien hajotusaktiivisuutta. Poron aiheuttamat erot kasvillisuudessa ja mikrobiaktiivisuuksissa yhdessä virtsan ja papanoiden lannoittavan vaikutuksen kanssa muuttivat maaperän typen saatavuutta sekä hiilen laatua. Erot maaperän ominaisuuksissa puolestaan ohjasivat ilmaston lämpenemisen ekosysteemitason vaikutuksia. Lämmitys kasvatti ekosysteemituotantoa ravinteikkaalla voimakkaasti laidunnetulla tundralla mutta ei kevyesti laidunnetulla tundralla, joka oli typpirajoitteinen. Lämmityksen erilaiset vaikutukset ekosysteemituotantoon eri laidunpaineissa määrittivät lämmityksen vaikutuksen ekosysteemin hiilinieluun, joka pysyi muuttumattomana voimakkaasti laidunnetulla tundralla mutta pieneni kevyesti laidunnetulla tundralla. Porolaidunnus alensi maaperän hiilen laatua, ja kevyesti laidunnetulla tundralla maaperässä oli enemmän mikrobien hajotukselle alttiita hiilihydraatteja kuin voimakkaasti laidunnetulla tundralla. Laboratoriossa suoritetun inkubaatiokokeen perusteella maaperän hiilen alhaisempi laatu lievensi mikrobien hajotusaktiivisuuden vastetta pitkäaikaiseen lämmitykseen. Lämmitys vähensi pohjanvariksenmarjan fenoliyhdisteiden, jotka ovat tärkeä osa kasvien puolustusta bioottisia ja abioottisia stressitekijöitä vastaan, pitoisuuksia enemmän voimakkaasti kuin kevyesti laidunnetulla tundralla.

Poron laidunnushistoria yhdessä kasvillisuusmuutoksen kanssa voi merkittävästi vaikuttaa ilmaston lämpenemisen ekosysteemitason seurauksiin. Tämän väitöstyön tulokset osoittavat, että poron vaikutukset maaperän typpeen ja hiileen määrittävät lämpenemisen vaikutukset ekosysteemissä. Tulevaisuudessa ilmastonmuutostutkimuksen pitäisikin kokonaisvaltaisemmin huomioida sekä herbivorian että ekosysteemin eri osien merkitys.


Series: Acta Universitatis Ouluensis. A, Scientiae rerum naturalium
ISSN: 0355-3191
ISSN-E: 1796-220X
ISSN-L: 0355-3191
ISBN: 978-952-62-0700-1
ISBN Print: 978-952-62-0699-8
Issue: 645
Subjects:
Copyright information: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for your own personal use. Commercial use is prohibited.