Measurement of root inputs: Allt a’ Mharcaidh, Invercauld and 

IndonesiaL D IndonesiaLorna DawsonSebastian PerschRachel HelliwellAndrea BrittonAndrea BrittonJasmine RossRuth Mitchell

REDD‐ALERT  Peat Dynamics workshop, TJHI                             31/8/11 and 1/9/11

Five/six habitats along a boreal‐alpine toposequence

50

60

Soil mineral horizonsSoil organic horizonsSite 5

ol k

g m

-2 40

50RootsLitter Above ground biomass

Car

bon

poo

20

30

Site 1

Site 2

Site 3

Site 4

et mirel heath

heathowbed

heath0

10

Blanket m

Boreal he

Alpine heSnow

Racomitrium he

Britton, A.J.; Helliwell, .C.; Lilly, A.; Dawson, L.A.; Fisher, J.M.; Coull, M.C.; Ross, J 2011.An integrated assessment of ecosystem carbon pools and fluxes across an oceanic alpine toposequence ‐ ‐ Plant and Soil 345 287‐302toposequence. . Plant and Soil, 345, 287 302.

C storage

How C storage works Plants fix CO2

CO2 Plants fix CO2

C moves into soil pool as litter

C t d i litt i & i l C stored in litter, organic & mineral horizons

S il i l & i b Soil animals & microbes use organic matter as food source & produce CO22

C storage depends on balance between fixation & decomposition

Factors controlling C storage

Litter quality – plant species vary in terms of nutrients (C, N, P) in litter

Soil biota – community size, composition & activity Climate – soil temperature & moisture & their variability p ydirectly affect chemical processes, leaching & erosion

Pollution – N deposition and acidification affect chemical processes

Interactions – climate & pollution alter microbial community activity plant litter quality species present (plants &activity, plant litter quality, species present (plants & microbes)

C storage = Fixation DecompositionC storage = Fixation ‐ Decomposition All habitats hold large 

l60 soil C stores

Mire is most important ll

50

60

Soil mineral horizonsSoil organic horizonsRootsLitt store overall

Alpine zone holds more th i ti tpo

ol k

g m

-2

30

40LitterAbove ground biomass

than previous estimates

Snowbed holds largest C t i l i

Car

bon

p

20

store in alpine zone

ire th th bed th0

10

Blanket mireBoreal heath

Alpine heathSnowbed

Racomitrium heath

C Storage Fixation DecompositionC Storage = Fixation ‐ Decomposition

Matches pattern of C250 Matches pattern of C storage

Soil C store = 200‐300 times annual

200

250

300 times annual production

Wet habitats most productiveC

m-2

y-1

150

productive Alpine habitats can be as productive as boreal

NPP

g

50

100

boreal

mire eath eath bedeath

0

50

Blanket mir

Boreal heat

Alpine heatSnowbed

Racomitrium heat

C storage = Fixation DecompositionC storage = Fixation ‐ Decomposition Surface‐placed litter

70

Rates vary greatly between habitats60

Racomitrium heathSnowbedAlpine heathBoreal heathBlanket mire

Alpine habitats include fastest & slowest decompositions

loss 40

50 Blanket mire

decomposition

Habitat type more important than temperature gradient

% m

ass

20

30

than temperature gradient (ca. 2°C)

10

20

No. months incubation

0 6 12 18 24 30 360

S W S W S

Projected climate change in Scotland(2080 – Medium high emissions)

Temperature:  +2 to +3.5°C

( g )

p Rainfall: 0 to ‐10% 

(↑ winter, ↓ summer) Soil moisture: 0 to ‐20% 

(↑ winter, ↓ summer)f ll Snowfall:  ‐50 to ‐90%

Impacts of climate change: short term

Change Fixation Decomposition C storeChange Fixation Decomposition C store↑Temperature ↑ ↑ ?↑ ↑↓Soil moisture (dry habitats) ↓ ↓ ?( y )↓Soil moisture (wet habitats) ↓ ↑ ↑ ?Loss of snow cover (snowbeds) ↑ = ?

There are many uncertainties – we need to understand more about how species & processes will respond above andabout how species & processes will respond above and belowground

C l iConclusions

l h b h h ldAlpine habitats in oceanic areas such as UK hold considerable C stocks

C k i ll i bl h bi h C stocks are spatially variable, wet habitats such as snowbeds and blanket bog are important

Cli t h ff t h bit t di t ib ti ill i t Climate change effects on habitat distribution will impact C storage

C t l f th f t h N d iti ill b Control of other factors such as N deposition will be important in maintaining C stocks

Soil Properties and soil water DOC : Allt a’ Mharcaidh transectAllt a  Mharcaidh transect

Site

Organic soil (cm)

Above-tray Mass C

(kg/m²)%C C:N

(molar)

tude

900m(kg/m ) (molar)

1 8 4.6 13.1 54.1 2 22 6.4 32.2 26.1 3 vegetation 6 3.5 8.3 39.5 3 gravel 0 2 0 4 3 31 6

Altit

490m

3 gravel 0 2.0 4.3 31.64 30 11.4 39.0 38.0 5 96 6.9 49.0 63.9 6 9 7.2 29.8 38.7

S= Summer

 Key messages:

The weak relationship between soil water DOC and above‐tray soil carbon pools highlights the potential pitfalls of using DOC as a S  Summer

W= Wintercarbon pools highlights the potential pitfalls of using OC as aproxy for C pool

Clear seasonal signal in DOC, with maximum concentrations observed in the warmer months reflecting microbial breakdown of organic matterorganic matter

An inter‐site comparison demonstrates a strong relationship between DOC and net primary productivity with the greatest NPP (at the warmer lower altitude sites) generally showing a more pronounced increase in DOC

Sites

Relationship between temperature and root DOCroot DOC

Sample collection and monitoring: Invercauld

Precipitation ol mes and

Zero‐tension lysimeters used to collect soil Root dynamics volumes and  

chemistry, temp, 

used to collect soil solution from HE horizon at 10cm

y

moisture

Root appearance and death

Site 4 root production 2009 Site 4 root death 2009

250

300

Site 4 root production 2009

9 250

300

9

150

200

no/cm3

10

11

12

13150

200

no/cm3

10

11

12

13

50

100 14

15

16 50

100 14

15

16

0 0

Time of year; start May to end October   Time of year; start May to end October  

Root Carbon dynamics‐ site 3Root Carbon dynamics site 3

0.6

0.7

0.8

0.3

0.4

0.5

mg/cm3 est. root C lost

0

0.1

0.2mg/cm3 est.root C production

InvercauldInvercauld

InvercauldExperimental set up•4 blocks

Measurements made:•Soil respiration

•Within each block a grazed andungrazed treatment (plot)

•Within each grazed or ungrazed

•Soil water chemistry (DOC) plus other chemical content (data on volume is a bit variable as bottles often over-flowed)

•Within each grazed or ungrazedplot 3 treatments:•Heather control•Planted birch

•Root growth

•Root C and N•Planted pine•Each pine, birch, heather plot is 19 x 16m

•Soil temperature•Soil moisture•Weather data

DOC time trends

25

30

35

10

15

20

DOC m

g/l

B

C

P

0

5

10/04/20

06

10/06/20

06

10/08/20

06

10/10/20

06

10/12/20

06

10/02/20

07

10/04/20

07

10/06/20

07

10/08/20

07

10/10/20

07

10/12/20

07

10/02/20

08

10/04/20

08

10/06/20

08

10/08/20

08

10/10/20

08

10/12/20

08

10/02/20

09

10/04/20

09

10/06/20

09

10/08/20

09

10/10/20

09

10/12/20

09

10/02/20

10

10/04/20

10

10/06/20

10

10/08/20

10

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

25

30

35

/l

10

15

20

DOC m

g/

Grazed

Ungrazed

0

5

0/04

/200

6

0/06

/200

6

0/08

/200

6

0/10

/200

6

0/12

/200

6

0/02

/200

7

0/04

/200

7

0/06

/200

7

0/08

/200

7

0/10

/200

7

0/12

/200

7

0/02

/200

8

0/04

/200

8

0/06

/200

8

0/08

/200

8

0/10

/200

8

0/12

/200

8

0/02

/200

9

0/04

/200

9

0/06

/200

9

0/08

/200

9

0/10

/200

9

0/12

/200

9

0/02

/201

0

0/04

/201

0

0/06

/201

0

0/08

/201

0

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

Relationships between DOC and soil temperature

50

40

45I1HB  I1HC  I1HP 

I1UB  I1UC  I1UP 

25

30

35

OC

I2HB  I2HC  I2HP 

I2UB  I2UC  I2UP 

15

20

25

DO

I3HB  I3HC  I3HP 

5

10I3UB  I3UC  I3UP 

I4HB  I4HC  I4HP 

0

‐4 ‐2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18

Average soil  temperature during preceeding 6 weeks

I4UB  I4UC  I4UP 

CO2 and soil temperatureCO2 and soil temperature

700

800

900

h‐1)

300

400

500

600

verage

 mg C

O2 m

‐2 h

Birch

Heather

0

100

200

300

8 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

CO2  (av eat e

Pine

29/1/200

826

/1/200

911

/3/200

924

/3/200

96/4/20

0919

/4/200

915

/5/200

95/6/20

0918

/6/200

91/7/20

0914

/7/200

927

/7/200

917

/8/200

922

/9/200

95/10

/200

918

/10/20

0926

/11/20

0913

/12/20

096/2/20

1011

/3/201

030

/4/201

013

/5/201

026

/5/201

010

/6/201

027

/6/201

012

/7/201

025

/7/201

07/8/20

1023

/8/201

05/9/20

1018

/9/201

09/10

/201

030

/10/20

10

18

8

10

12

14

16

mp (oC

) at 5

cm

Birch

0

2

4

6

8

soil t

em

Birch

Heather

Pine

0

29/1/200

823

/1/200

922

/2/200

915

/3/200

925

/3/200

94/4/20

0914

/4/200

97/5/20

0917

/5/200

94/6/20

0914

/6/200

924

/6/200

94/7/20

0914

/7/200

924

/7/200

94/8/20

0911

/9/200

923

/9/200

93/10

/200

913

/10/20

0923

/10/20

0928

/11/20

0912

/12/20

092/2/20

1012

/2/201

08/4/20

1030

/4/201

010

/5/201

020

/5/201

030

/5/201

011

/6/201

025

/6/201

07/7/20

1017

/7/201

027

/7/201

06/8/20

1019

/8/201

029

/8/201

08/9/20

1018

/9/201

06/10

/201

024

/10/20

103/11

/201

0

Root measurementsRoot measurements

Invercauld Root Production 2007

2

Birch

Heather

Pine

1

1.5

/cm

3/da

y

Invercauld Root Loss 2007

Birch Heather0

0.5

ay ay un un Jul

Jul

Jul

ug ug ep ep Oct

Oct

no/

1.5

2

/day

Pine08-M

a

22-M

a

05-J

u

19-J

u

03-J

17-J

31-J

14-A

u

28-A

u

11-S

e

25-S

e

09-O

23-O

0.5

1

no/c

m3/

0

08 -… 22 -… 05 -… 19 -… 03 -… 17 -… 31 -… 14 -… 28 -… 11 -… 25 -… 09 -… 23 -…

Indonesia‐ Sebastian’s PhDIndonesia Sebastian s PhDThe objective of this study is to assess how the transition associated with logging a primary peat swamp forest and establishing oil palm plantation affects the contribution of fi t t th t b lfine roots to the ecosystem carbon cycle. 

The aims are

(i) to estimate the fine root production, mortality, decomposition and exudation in an intact primary forest, p p y ,a logged forest, and an oil palm plantation, and

(ii) to assess the contribution of the fine roots to the total (ii) to assess the contribution of the fine roots to the total CO2 emissions from land use change.

Transition with logging a primary peat swamp forest and establishing oil palm plantationforest and establishing oil palm plantation

Primary forest

Secondary logged  forest

The research components: (1) Fine root turnover (i e production and

Oil palm plantation

(1) Fine root turnover (i.e. production and mortality), (2) fine root decomposition 

Samplingp g In each treatment a stratified sampling will be carried out using hollows and hummock as 

strata in the 2 forest treatments and different distances from the trunk in the oil palm treatment (i.e. close to the trunk (0.5m), quarter‐distance (2.25m), and mid‐distance between to palms (4.5m)). 

10 transparent tubes (per site)will be placed at randomly selected points in the forest 10 transparent tubes (per site)will be placed at randomly selected points in the forest treatments and at randomly selected palms in the OP treatment. (5 per stratum, 70mm in diameter, 118cm length [to cover the first 50cm of soil depth] installed in an angle of 45˚)

Analyzing program: WinRHIZO will be used and will be carried out in parallel with filming

Calculation of root turnover rate

Relative root length increase and relative root length loss (RRLL)

Relative annual root loss rates (RRLR) as according to Nadelhoffer (2000):

RRLR= (mean RRLL*12)/100

Annual root loss rate = root turnover

Root longevity as the inverse value of annual root loss rate

Thank You  Biomass coring

Necromass coring Necromass coring

Litterbag decomposition

And relationships to other variables and integration in models……………………

Thanks to RERAD for funding and  Julia Fischer, Kenny Hood and Richard Gwatkin for support