Methane and carbon dioxide fluxes correlation according to automatic chamber observations at the Mukhrino bog ridge and hollow complex

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Aim: To study the dynamics of specific greenhouse gas (CO2 and CH4) fluxes in a ridge-and-moss oligotrophic bog complex in the middle taiga subzone of Western Siberia taking into account their spatial heterogeneity under the influence of environmental factors, to reveal the degree of influence of meteorological parameters on greenhouse gas fluxes, and to establish quantitative relationships between the observed fluxes of carbon dioxide and methane.

Methods: Greenhouse gas fluxes were measured using the chamber automatic monitoring system with eight transparent chambers and CO₂, CH₄ and H₂O gas analyzer.

Results: The mean values of CO2 and CH4 fluxes from bog surface were obtained; differences in the functioning of the ridge and the hollow are shown: median values of CO2 fluxes indicate a greater uptake on the ridge (-74.4 mgCO2/m2/h) than on the hollow (-52.7 mgCO2/m2/h); methane fluxes on the ridge (0.08 mgCH4/m2/h) are on average 20 times lower than on the hollow (2.76 mgCH4/m2/h). Correlation of greenhouse gas fluxes with environmental factors were revealed: the highest correlations were found with the intensity of incoming solar (r = -0.84 ÷ -0.91) and photosynthetically active radiation (r = -0.85 ÷ -0.92), air temperature (r = -0.51 ÷ -0.63) and relative air humidity (r = +0.56 ÷ +0.62).

Conclusions: Correlations between specific greenhouse gas fluxes were studied based on spatial and temporal flux variability data. Correlations between greenhouse gas fluxes are different at night and daytime, which is directly related to environmental factors.

About the authors

E. A. Dyukarev

Yugra State University; Institute of Monitoring of Climatic and Ecological Systems of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences; A.M. Obukhov Institute of Atmospheric Physics RAS

Author for correspondence.
Email: e_dyukarev@ugrasu.ru
ORCID iD: 0000-0002-7019-4459
Russian Federation, Khanty-Mansiysk; Tomsk; Moscow

E. E. Veretennikova

Institute of Monitoring of Climatic and Ecological Systems of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences; Siberian State Medical University

Email: lena2701@yandex.ru
Russian Federation, Tomsk; Tomsk

A. F. Sabrekov

Yugra State University

Email: misternickel@mail.ru
Russian Federation, Khanty-Mansyisk

A. A. Kulik

Yugra State University

Email: k.artem.a@yandex.ru
SPIN-code: 3435-7765
Russian Federation, Khanty-Mansiysk

E. A. Zarov

Yugra State University

Email: zarov.evgen@yandex.ru
SPIN-code: 2765-5532
Russian Federation, Khanty-Mansiysk

References

  1. Alekseychik P., Korrensalo A., Mammarella I., Launiainen S., Tuittila E.-S., Korpela I., Vesala T. 2021. Carbon balance of a Finnish bog: temporal variability and limiting factors based on 6 years of eddy-covariance data. Biogeosciences, 18: 4681–4704. doi: 10.5194/bg-18-4681-2021.
  2. Alekseychik P., Mammarella I., Karpov D., Dengel S., Terentieva I., Sabrekov A., Glagolev M., Lapshina, E. Net ecosystem exchange and energy fluxes measured with the eddy covariance technique in a Western Siberian bog. Atmos. Chem. Phys., 17: 9333–9345. doi: 10.5194/acp-17-9333-2017.
  3. Bellisario L.M., Bubier J.L., Moore T.R. 1999. Controls on CH4 emissions from a northern peatland. Global Biogeochemical Cycles, 13: 81–91.
  4. Chanton J.P., Bauer J.E., Glaser P.A., Siegel D.I., Kelley C.A., Tyler S.C., Romanowicz E.H., Lazrus A. 1995. Radiocarbon evidence for the substrates supporting methane formation within northern Minnesota peatlands. Geochimica et Cosmochimica Acta, 59: 3663-3668.
  5. Climate Change. 1990. The IPCC scientific assessment. Contribution of Working Group I to the First Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change, 365 p.
  6. Cui S., Liu P., Guo H., Nielsen C.K., Pullens J.W.M., Chen Q., Pugliese L., Wu, S. 2024. Wetland hydrological dynamics and methane emissions. Communications Earth & Environment, 5(1): 470.
  7. Dorodnikov M., Knorr K.-H., Kuzyakov Y., Wilmking M. 2011. Plant-mediated CH4 transport and contribution of photosynthates to methanogenesis at a boreal mire: a 14C pulse-labeling study. Biogeosciences, 8: 2365-2375. doi: 10.5194/bg-8-2365-2011
  8. Dunfield P., Dumont R., Moore, T.R., 1993. Methane production and consumption in temperate and subarctic peat soils: response to temperature and pH. Soil Biology and Biochemistry, 25(3): 321-326.
  9. Dyukarev E., Filippova N., Karpov D., Shnyrev N., Zarov E., Filippov I., Voropay N., Avilov V., Artamonov A., Lapshina E. 2021b. Hydrometeorological dataset of West Siberian boreal peatland: a 10-year record from the Mukhrino fieldstation. Earth System Science Data, 13(6): 2595-2605. doi: 10.5194/essd-13-2595-2021.
  10. Dyukarev E., Zarov E., Alekseychik P., Nijp J., Filippova N., Mammarella I., Filippov I., Bleuten W., Khoroshavin V., Ganasevich G., Meshcheryakova A., Vesala T., Lapshina E. 2021a. The multiscale monitoring of peatland ecosystem carbon cycling in the middle taiga zone of Western Siberia: the Mukhrino bog case study. Land, 10(8): 824. https://doi.org/10.3390/land10080824.
  11. Dyukarev E.A., Godovnikov E.A., Karpov D.V., Kurakov S.A., Lapshina E.D., Filippov I.V., Filippova N.V., Zarov E.A. 2019. Net Ecosystem Exchange, Gross Primary Production AndEcosystem Respiration In Ridge-Hollow Complex At Mukhrino Bog. Geography, Environment, Sustainability, 12(2): 227-244. doi: 10.24057/2071-9388-2018-77.
  12. Euskirchen E.S., Edgar C.W., Kane E.S., Waldrop M.P., Neumann R.B., Manies K.L., Douglas T.A., Dieleman C., Jones M.C., Turetsky M. R. 2024. Persistent net release of carbon dioxide and methane from an Alaskan lowland boreal peatland complex. Global Change Biology, 30: e17139. doi: 10.1111/gcb.17139.
  13. Farquhar, G.D., von Caemmerer, S., Berry, J.A. 1980. A biochemical model of photosynthetic CO2 assimilation in leaves of C3 species. Planta, 149 (1): 78–90.
  14. Forster P., Storelvmo T., Armour K., Collins W., Dufresne J.-L., Frame D., Lunt D.J., Mauritsen T., Palmer M.D., Watanabe M., Wild M., Zhang H. 2021. The Earth’s Energy Budget, Climate Feedbacks, and Climate Sensitivity. In Climate Change 2021: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Sixth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change (Masson-Delmotte V., Zhai P., Pirani A., Connors S.L., Péan C., Berger S., Caud N., Chen Y., Goldfarb L., Gomis M.I., Huang M., Leitzell K., Lonnoy E., Matthews J.B.R., Maycock T.K., Waterfield T., Yelekçi O., Yu R., Zhou B. eds.). Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA, pp. 923–1054. doi: 10.1017/9781009157896.009.
  15. Ge M., Korrensalo A., Laiho R., Kohl L., Lohila A., Pihlatie M., Li X., Laine A.M., Anttila J., Putkinen A., Wang, W. 2023. Plant-mediated CH4 exchange in wetlands: A review of mechanisms and measurement methods with implications for modelling. Science of the Total Environment, 169662.
  16. Glagolev M.V., Sabrekov A.F., Kazantsev V.S. 2010. Methods for measuring gas exchange at the soil/atmosphere interface. Publishing house of Tomsk State Pedagogical University, Tomsk, 96 p. (in Russian). [Глаголев М.В., Сабреков А.Ф., Казанцев В.С. 2010. Методы измерения газообмена на границе почва/атмосфера. – Томск: Издательство Томского государственного педагогического университета, 96 с.].
  17. Green S. M., Baird A.J. 2012. A mesocosm study of the role of the sedge Eriophorum angustifolium in the efflux of methane—including that due to episodic ebullition—from peatlands. Plant Soil, 351, 207–218 doi: 10.1007/s11104-011-0945-1
  18. Greenup A.L., Bradford M.A., McNamara P.N., Ineson P., Lee J.A. 2000. The role of Eriophorum vaginatum in CH4 flux from an ombrotrophic peatland. Plant and Soil, 227: 265–272.
  19. Holmes, M. E., Crill, P. M., Burnett, W. C., McCalley, C. K., Wilson, R. M., Frolking, S. 2022. Carbon accumulation, flux, and fate in Stordalen Mire, a permafrost peatland in transition. Global Biogeochemical Cycles, 36: e2021GB007113. doi: 10.1029/2021GB007113.
  20. Ilyasov D.V., Meshcheryakova A.V., Glagolev M.V., Kupriianova I.V., Kaverin A.A., Sabrekov A.F., Kulyabin M.F., Lapshina E.D. 2023. Field-layer vegetation and water table level as a proxy of CO2 exchange in the West Siberian boreal bog. Land, 12, 566. doi: 10.3390/land12030566.
  21. Jentzsch K., Männistö E., Marushchak M.E., Korrensalo A., van Delden L., Tuittila E.S., Knoblauch C., Treat C.C. 2024. Seasonal controls on methane flux components in a boreal peatland–combining plant removal and stable isotope analyses. EGUsphere, 2024: 1-32.
  22. Joabsson A., Christensen T.R., Wallén B. 1999. Vascular plant controls on methane emissions from northern peatforming wetlands. Trends in Ecology and Evolution, 14: 385–388.
  23. King J.Y., Reeburgh W.S. 2002. A pulse-labeling experiment to determine the contribution of recent plant photosynthates to net methane emission in arctic wet sedge tundra, Soil Biology and Biochemistry, 34: 173–180.
  24. Kiselev M.V., Dyukarev E.A., Voropay N.N. 2019. SEASONALLY FROZEN LAYER OF PEATLANDS IN THE SOUTHERN TAIGA ZONE OF WESTERN SIBERIA. Earth's Cryosphere, XXIII(4): 3–15. (in Russian). [Киселев М.В., Дюкарев Е.А., Воропай Н.Н. 2019. Сезонно-мерзлый слой болот южно-таёжной зоны Западной Сибири // Криосфера Земли. Т. 23. № 4. С. 3-15.] doi: 10.21782/KZ1560-7496-2019-4(3-15).
  25. Kleptsova I.E., Glagolev M.V., Filippov I.V., Maksyutov S.S. 2010. Methane emission from middle taiga ridges and ryams of Western Siberia. Environmental Dynamics and Global Climate Change. 1(1): 66-76.
  26. Knox S.H., Bansal S., McNicol G., Schafer K., Sturtevant C., Ueyama M., Valach A.C., Baldocchi D., Delwiche K., Desai A.R., Euskirchen, E. 2021. Identifying dominant environmental predictors of freshwater wetland methane fluxes across diurnal to seasonal time scales. Global Change Biology, 27(15): 3582-3604.
  27. Korkiakoski M., Tuovinen J.-P., Aurela M., Koskinen M., Minkkinen K., Ojanen P., Penttilä T., Rainne J., Laurila T., Lohila A. 2017. Methane exchange at the peatland forest floor – automatic chamber system exposes the dynamics of small fluxes. Biogeosciences, 14:1947–1967. doi: 10.5194/bg-14-1947-2017.
  28. Korrensalo A., Mammarella I., Alekseychik P., Vesala T., Tuittila E.S. Plant mediated methane efflux from a boreal peatland complex. Plant Soil, 2022, 471: 375–392. doi: 10.1007/s11104-021-05180-9.
  29. Koskinen M., Minkkinen K., Ojanen P., Kämäräinen M., Laurila T., Lohila A. 2014. Measurements of CO2 exchange with an automated chamber system throughout the year: challenges in measuring night-time respiration on porous peat soil. Biogeosciences, 11: 347–363. doi: 10.5194/bg-11-347-2014.
  30. Krasnov O.A., Maksyutov S., Glagolev M.V., Kataev M.Yu., Inoue G., Nadeev A.I., Shelevoi V.D. 2013. Automated complex “Flux-NIES” for measurement of methane and carbon dioxide fluxes. Atmospheric and Oceanic Optics. 26(12): 1090-1097 (in Russian). [Краснов О.А., Maksyutov S., Глаголев М.В., Катаев М.Ю., Inoue G., Надеев А.И., Шелевой В.Д. 2013. Автоматизированный комплекс «FLUX-NIES» для измерения потоков метана и диоксида углерода // Оптика атмосферы и океана. Т. 26. №. 12. С. 1090-1097].
  31. Kulik A.A., Zarov E.A. 2023. The influence of the hydrometeorological factors on the CO2 fluxes from the oligotrophic bog surface. Environmental Dynamics and Global Climate Change. 14(4): 249-263.
  32. Kupriianova I.V., Kaverin A.A., Filippov I.V., Ilyasov D.V., Lapshina E.D., Logunova E.V., Kulyabin M.F. 2022. The main physical and geographical characteristics of the Mukhrino field station area and its surroundings. Environmental Dynamics and Global Climate Change, 13(4): 215-252.
  33. Lai D. Y.E., Roulet N.T., Moore T.R. 2014. The spatial and temporal relationships between CO2 and CH4 exchange in a temperate ombrotrophic bog. Atmospheric Environment, 89: 249-259. doi: 10.1016/j.atmosenv.2014.02.034.
  34. Li N., Shao J., Zhou G., Zhou, L. Du, Z., Zhou X. 2022. Improving estimations of ecosystem respiration with asymmetric daytime and nighttime temperature sensitivity and relative humidity. Agricultural and Forest Meteorology, 312: 108709.
  35. Long K.D., Flanagan L.B., Cai T. 2010. Diurnal and seasonal variation in methane emissions in a northern Canadian peatland measured by eddy covariance. Global change biology, 16(9): 2420-2435.
  36. Marschner H. 1995. Mineral Nutrition of Higher Plants 2nd edn. Academic Press, London. 889 p.
  37. Murphy M.T., Moore T.R. 2010. Linking root production to aboveground plant characteristics and water table in a temperate bog. Plant and Soil, 336: 219-231.
  38. Olson D.M., Griffis T.J., Noormets A., Kolka R., Chen J. 2013. Interannual, seasonal, and retrospective analysis of the methane and carbon dioxide budgets of a temperate peatland. Journal of Geophysical Research Biogeoscience, 118: 226–238. doi: 10.1002/jgrg.20031.
  39. Petrescu, A.M.R., Lohila, A., Tuovinen, J.P., Baldocchi, D.D., Desai, A.R., Roulet, N.T., Vesala, T., Dolman, A.J., Oechel, W.C., Marcolla, B. and Friborg, T., 2015. The uncertain climate footprint of wetlands under human pressure. Proc. of the National Academy of Sciences, 112(15), 4594-4599. doi: 10.1073/pnas.1416267112.
  40. Potter C.S. 1997. An ecosystem simulation model for methane production and emission from wetlands. Global Biogeochemical Cycles, 11(4): 495-506.
  41. Poulter B., Fluet-Chouinard E., Hugelius G., Koven C., Fatoyinbo L., Page S.E., Rosentreter J.A., Smart L.S., Taillie, P.J. Thomas N., Zhang Z., Wijedasa L.S. 2021. A Review of global wetland carbon stocks and management challenges. In: Wetland carbon and environmental management (eds Krauss K.W., Zhu Z., Stagg C.L.). doi: 10.1002/9781119639305.ch1.
  42. Reichstein M., Falge E., Baldocchi D., Papale D., Aubinet M., Berbigier P., Bernhofer C., Buchmann N., Gilmanov T., Granier A., Grünwald T. 2005. On the separation of net ecosystem exchange into assimilation and ecosystem respiration: review and improved algorithm. Global change biology, 11(9): 1424-1439.
  43. Roulet N.T., Lafleur P.M., Richard P.J.H., Moore T.R., Humphreys E.R., Bubier J. 2007. Contemporary carbon balance and late Holocene carbon accumulation in a northern peatland. Global Change Biology, 13: 397–411.
  44. Sabrekov A.F., Kleptsova I.E., Glagolev M.V., Maksyutov Sh.Sh., Machida T. 2011. Methane emission from middle taiga oligotrophic hollows of Western Siberia. Tomsk State Pedagogical University Bulletin, (107): 135-143.
  45. Saunois, M., Martinez, A., Poulter, B., Zhang, Z., Raymond, P., Regnier, P., Canadell, J. G., Jackson, R. B., Patra, P. K., Bousquet, P., Ciais, P., Dlugokencky, E. J., Lan, X., Allen, G. H., Bastviken, D., Beerling, D. J., Belikov, D. A., Blake, D. R., Castaldi, S., Crippa, M., Deemer, B. R., Dennison, F., Etiope, G., Gedney, N., Höglund-Isaksson, L., Holgerson, M. A., Hopcroft, P. O., Hugelius, G., Ito, A., Jain, A. K., Janardanan, R., Johnson, M. S., Kleinen, T., Krummel, P., Lauerwald, R., Li, T., Liu, X., McDonald, K. C., Melton, J. R., Mühle, J., Müller, J., Murguia-Flores, F., Niwa, Y., Noce, S., Pan, S., Parker, R. J., Peng, C., Ramonet, M., Riley, W. J., Rocher-Ros, G., Rosentreter, J. A., Sasakawa, M., Segers, A., Smith, S. J., Stanley, E. H., Thanwerdas, J., Tian, H., Tsuruta, A., Tubiello, F. N., Weber, T. S., van der Werf, G., Worthy, D. E., Xi, Y., Yoshida, Y., Zhang, W., Zheng, B., Zhu, Q., Zhu, Q., and Zhuang, Q. 2024. Global Methane Budget 2000–2020, Earth Syst. Sci. Data Discuss. [preprint]. doi: 10.5194/essd-2024-115, in review.
  46. Shaver G.R., Kummerow J. 1992. Phenology, resource allocation, and growth of arctic vascular plants. In: Arctic ecosystems in a changing climate. An ecophysiological perspective (eds Chapin III F.S., Jefferies R.L., Reynolds J.F., Shaver G.R., Svoboda J.), Academic Press, Inc., San Diego. pp. 193-211.
  47. Ström L., Tagesson T., Mastepanov M., Christensen T.R. 2012. Presence of Eriophorum scheuchzeri enhances substrate availability and methane emission in an Arctic wetland Lena. Soil Biology & Biochemistry, 45: 61-70. doi: 10.1016/j.soilbio.2011.09.005.
  48. Veretennikova E.E., Dyukarev E.A. 2021. Comparison of methane fluxes of open and forested bogs of the southern taiga zone of Western Siberia. Boreal Environment Research, 26: 43-59. doi: 10.5281/zenodo.4718848.
  49. VNIIGMI-MTsD. 2024. Federal State Budgetary Institution «All-Russian Research Institute of Hydrometeorological Information – World Data Center. http://meteo.ru/data (date accessed: 07.09.2024). (in Russian). [ВНИИГМИ-МЦД, 2024. Всероссийский научно-исследовательский институт гидрометеорологической информации – Мировой центр данных. http://meteo.ru/data (дата обращения: 07.09.2024)].
  50. Waddington J.M., Roulet N.T., Swanson R.V. 1996. Water table control of CH4 emission enhancement by vascular plants in boreal peatlands. Journal of Geophysical Research, 101: 22775–22785.
  51. Whiting G.J., Chanton J.P. 1993. Primary production control of methane emission from wetlands. Nature, 364: 794–795.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. External appearance of the chamber automated system for monitoring greenhouse gas fluxes KASM8 (a) and one of the measuring chambers (б). Layout of the chamber on the ridge-hollow complex (в), 0 – KASM8 control module, yellow circles indicate the locations of measuring chambers 1-8.

Download (827KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Carbon dioxide (а, б) and methane (в, г) fluxes according to chamber measurements from May 28 to June 3, 2023, on a hollow (а, в) and a ridge (б, г). Chambers 1-4 – hollow (а, в), chambers 5-8 – ridge (б, г).

Download (555KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Relationship between specific fluxes of CO2 (а, б), CH4 (в, г) and intensity of incoming photosynthetically active radiation. Chambers 1-4 – hollow (а, в), chambers 5-8 – ridge (б, г).

Download (577KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Relationship between specific fluxes of CO2 and CH4. Chambers 1-4 – hollow (а), chambers 5-8 – ridge (б). Lines show approximation of data by linear dependence.

Download (387KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. Spearman correlation coefficient of specific fluxes of CH4 and CO2 with shift dt. Chambers 1-4 – hollow (a), chambers 5-8 – ridge (б).

Download (205KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Dyukarev E.A., Veretennikova E.E., Sabrekov A.F., Kulik A.A., Zarov E.A.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NoDerivatives 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».