Projektanslag

Flödet av kol och vatten förklarar skogens tillväxt

Forskare vid Sveriges lantbruksuniversitet, SLU, i Umeå har tagit fram en modell av skogslandskapets kol- och vattenflöden för att undersöka vad som styr trädets tillväxt. Modellen kan också användas för att visa hur nordliga skogar påverkas när klimatet förändras.

Projektet under ledning av Torgny Näsholm vid institutionen för skogens ekologi och skötsel på Sveriges lantbruksuniversitet, SLU, i Umeå har identifierat fem olika men nära sammanlänkade processer, som styr skogars produktivitet och vattenförsörjning. Var och en av dem har stor betydelse för regleringen av flödet av kol och vatten.
Forskarna har beviljats projektanslag från Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse för att gå vidare och fördjupa analysen. De ska undersöka hur mycket vatten som flödar, hur mycket kol som binds in och hur mycket energi som lagras i nordliga skogar.

Hypotesdriven forskning

Samtliga i projektgruppen bidrar med olika typer av spetskompetens. Torgny Näsholm är professor i ekofysiologi och studerar bland annat skogens förmåga till anpassning vid miljöförändringar. Hjalmar Laudon är professor i skogens biogeokemi och är inblandad i många andra projekt om vattnets kretslopp i skogslandskapet. John Marshalls ämne är skogens ekofysiologi. Han är professor emeritus vid University of Idaho, USA och gästprofessor vid SLU i Umeå.

Forskarna försökte sammanfatta sitt projekt i en bild, men hittade inte någon struktur för sina visioner förrän de sökte upp en grafisk formgivare. De förklarade och hon började skissa.

– Vi kan inte rita och behövde hjälp med att konkretisera vår idé, berättar professor Torgny Näsholm.

Först blev det en massa nej, nej, inte så där, men till sist var alla entusiastiska. Då hade de framför sig en illustration av en tall med vattenkranar längst ut på flera grenar av olika höjd. Varje kran representerar en viktig förgreningspunkt för balansen mellan olika processer, som styr skogens tillväxt och kolinlagring samt flödet av vatten, kol och energi.

– Vårt projekt är ett exempel på hypotesdriven forskning. Vi vet inte än om vår modell ger en korrekt beskrivning av verkligheten, men den är testbar och om den inte visar sig återspegla skogens funktioner så kommer vi framgent att kunna formulera nya och mer precisa hypoteser, säger John Marshall.

Konkurrerande processer

Forskarna är intresserade av fördelningen mellan skogsekosystemets vattenavdunstning och trädens transpiration. Mätningar sedan flera årtionden tillbaka visar att ungefär hälften av regnvattnet blir bäckvatten medan den andra hälften går tillbaka till atmosfären i form av avdunstning och transpiration.

Trädens förmåga att utnyttja vattnet bestämmer utbytet mellan koldioxid och vatten i fotosyntesen, som omvandlar ljusenergi till kemiskt bunden energi och därmed driver tillväxten.
Under vissa förhållanden begränsas fotosyntesen av en konkurrerande process – fotorespirationen. Den leder till syreupptag men medför också en energiförlust. Flödet av energi genom de två processerna kan betraktas som en förgreningspunkt, där fotosyntesen leder till bevarande av energi i systemet och därmed till tillväxten medan fotorespirationen är en form av förlust.

Forskarna undersöker också cellandningen, som är cellens sätt att få energi. Hur fördelar sig cellandningen mellan ovanjordsdelar som stam, skott och blad och underjordsdelar som rötter och mykorrhiza? Och hur effektiv är den för produktionen av biomassa?

– Var och en av dessa processer har en avgörande inverkan på skogens produktivitet och dess förmåga att omsätta kol, vatten och energi, förklarar Hjalmar Laudon.

Mätningar med isotopteknik

Nya analystekniker som bygger på isotopmätningar används för att undersöka de processer som forskarna har identifierat som särskilt viktiga för skogstillväxten under olika miljöbetingelser. Mätningarna genomförs i ett försöksområde utanför Vindeln, 5 mil väster om Umeå, där kustklimatet möter inlandet. Skogsbeståndet domineras av tall och gran och har undersökts tidigare i åtskilliga fältexperiment.

I varje försöksyta på 13 till 15 hektar står en mast med en mätutrustning, som är monterad strax ovanför trädtopparna. Den registrerar utbytet av koldioxid mellan skogsbeståndet och atmosfären för att dokumentera hur mycket koldioxid skogen tar upp.
Projektet undersöker även hur skogen påverkas av gödsling med kväve. Ett tidigare fältförsök visade att gödsling medförde nästan en fördubblad produktion av stamved.
Isotoptekniken ger tillgång till information om skogens tillstånd och tillväxtflöden. Isotopsignaler finns dessutom lagrade i trädens årsringar.

– Vi kan jämföra det med historiska data om temperatur och nederbörd och analysera vilka miljöfaktorer som bestämmer hur flöden av vatten, kol och energi regleras i skogens ekosystem, säger Torgny Näsholm.

Annikki Mäkelä vid skogsvetenskapliga institutionen, Helsingfors universitet, har utvecklat en datormodell för att bearbeta alla uppgifter som samlas in. Resultaten kommer att integreras i forskarnas modell för trädtillväxt. Den kan också modifieras för att försöka förutspå vad som händer i större skala på bestånds- och landskapsnivå.

– Om vi förstår processerna kan vi räkna ut hur systemet påverkas i framtiden av yttre faktorer i form av klimatförändringar, säger Torgny Näsholm.

Text Carin Mannberg-Zackari
Bild Magnus Bergström