Winter gardening at 78° North: measuring extreme warm spell impacts on above- and below-ground biomass of vascular plant communities

Abstract

Global oppvarming gjer dei arktiske vintrane varmare og våtare, noko som fører til ei auke i ekstreme vêrfenomen på vinteren. Døme på slike vêr-hendingar er regn som frys på og dannar eit islag som «kapslar inn» tundraen (is-dannande vinterregn), samt mildvêr som smeltar snøen og tiner eit jordlag før det blir kaldt og frys på att (tine-fryse-hendingar). I dei arktiske vegetasjonssamfunna finn ein mest biomasse under bakken. Den er ikkje berre viktig for dynamikken i vegetasjonssamfunnet, men òg for den globale karbonsyklusen. Likevel er det hovudsakleg biomassen over bakken som har vorte studert i Arktis, ofte ved hjelp av ulike estimeringsmetodar (t.d. normalisert differanse-vegetasjonsindeks (NDVI) og «point intercept»-metoden (PIM)). Vi manglar grunnleggjande kunnskap om korleis desse estimeringsmetodane reflekterer biomassen under bakken i arktiske vegetasjonssamfunn, samt om korleis biomassen under bakken reagerer på ei auke i ekstreme vêr-hendingar på vinteren. For å vere med å tette desse kunnskapshola nyttar denne oppgåva seg av resultata frå eit fleirårig eksperiment utført på Svalbard der planter frå to ulike vegetasjonssamfunn vart utsett for eksperimentelle ekstreme vêrfenomen (is-dannande vinterregn og tine-fryse-hendingar) tre vintre på rad, før all biomassen vart hausta. Resultata viser at NDVI og PIM korrelerte positivt med kvarandre (r = 0.74 [0.59 – 0.84]). På samfunnsnivå reflekterte NDVI biomassen over bakken, biomassen under bakken og total biomasse (r = 0.78 [0.65 – 0.87], r = 0.70 [0.53 – 0.82] og r = 0.74 [0.58 – 0.84], i same rekkjefølgje) noko betre enn PIM (r = 0.73 [0.57 – 0.83], r = 0.55 [0.33 – 0.71] og r = 0.59 [0.39 – 0.74], i same rekkjefølgje), medan PIM reflekterte biomassen til den enkelte art betre enn NDVI. I det våtaste vegetasjonssamfunnet vart det relativt sett meir biomasse under bakken etter tine-fryse-hendingar, medan dette forholdet endra seg ikkje i det tørraste vegetasjonssamfunnet. Dei enkelte artane responderte, stort sett, på same måte som samfunnet, til trass for at dei hadde ulike måtar å endre forholdstalet mellom biomasse under og over bakken på. Desse resultata gir ny innsikt i korleis ekstreme vêr-hendingar påverkar biomasse under og over bakken, og syner samstundes at både NDVI og PIM er nyttige verkty for å undersøkje dette vidare.

Global warming is most pronounced in the high Arctic. This is likely to impact tundra vegetation communities, in which most of the biomass is located below ground. The below-ground biomass is important for both the dynamics of the vegetation communities themselves as well as for the global carbon cycle. However, it is often only the above-ground biomass, or more typically proxies of it, that is monitored. We often lack basic knowledge about how these proxies relate to each other and to the below-ground biomass, as well as how the below- versus above-ground biomass ratios may respond to environmental stress. This master thesis utilizes data from a vegetation transplant experiment conducted at Svalbard to contribute to filling these knowledge gaps. The experiment simulated extreme winter weather events in two different vegetation communities over three winters, following which all vascular plant biomass was harvested. Two types of extreme events were simulated: rain-on-snow events, causing basal icing, and thaw-freeze events, exposing the soil and vegetation to above-zero and subsequent freezing temperatures. The results showed that two above-ground biomass proxies, Normalized Difference Vegetation Index (NDVI) and the point intercept method (PIM) correlated positively with each other (r = 0.74 [0.59 – 0.84]). Both the above-ground biomass, below-ground biomass and total biomass was reflected better by NDVI (r = 0.78 [0.65 – 0.87], r = 0.70 [0.53 – 0.82] and r = 0.74 [0.58 – 0.84], respectively) than by PIM (r = 0.73 [0.57 – 0.83], r = 0.55 [0.33 – 0.71] and r = 0.59 [0.39 – 0.74], respectively) at the community level. At the species level, PIM reflected above- and below-ground biomass better than NDVI. While basal icing had only small effects on vegetation, the community-level ratio between below- and above-ground biomass increased under winter thaw-freeze treatment in the wet community. This was not the case in the drier community. Interestingly, although the species-level biomass ratios largely responded similarly, the treatments affected the above- and below-ground biomass of the species differently, which could be related to their growth forms. These results provide novel insight into the effects of extreme winter climatic events on above- and below-ground biomass and suggest that both NDVI (vascular plant community-level) and PIM (species level) are useful proxies to study impacts of environmental change on low-productive high-arctic tundra vegetation.