صافي توازن غازات الدفيئة وميزانية منطقة التربة المتجمدة (2000-2020) من توسيع تدفقات النظام البيئي The Net GHG Balance and Budget of the Permafrost Region (2000–2020) From Ecosystem Flux Upscaling

عربي
English

المجلة: Global Biogeochemical Cycles، المجلد: 38، العدد: 4
DOI: https://doi.org/10.1029/2023gb007953
تاريخ النشر: 2024-04-01

مقالة بحثية
10.1029/2023GB007953

قسم خاص:
ريكا ب2

النقاط الرئيسية:

المنطقة أصدرت، و إلى الغلاف الجوي بين عامي 2000 و 2020
استنادًا إلى ما سبق، ظلت النظم البيئية الأرضية الغمر، لكن الانبعاثات الناتجة عن الحرائق والمياه الداخلية تعوض إلى حد كبير عن الغمر في النظم البيئية النباتية
عند تضمين التدفقات الجانبية أيضًا، تؤدي الميزانيات الكاملة للكربون والنيتروجين في منطقة التربة المتجمدة إلى مصادر صافية تبلغ 144 (-506، 826؛ بما في ذلك و و

المعلومات الداعمة:

يمكن العثور على المعلومات الداعمة في النسخة الإلكترونية من هذه المقالة.

المراسلة إلى:

ج. راماج
justine.ramage@natgeo.su.se

اقتباس:

راماج، ج.، كوهين، م.، فيركالا، أ.-م.، فويت، ج.، ماروشتشاك، م. إ.، باستوس، أ.، وآخرون. (2024). صافي توازن غازات الدفيئة والميزانية لمنطقة التربة المتجمدة (2000-2020) من توسيع تدفقات النظام البيئي. الدورات البيوجيوكيميائية العالمية، 38، e2023GB007953.https://doi.org/10.1029/2023GB007953

تم الاستلام في 11 سبتمبر 2023
تم القبول 29 فبراير 2024

مساهمات المؤلفين:

تصور: مكينزي كوهين، آنا-ماريا فيركالا، كارولينا فويت، مايا إي. ماروشتشاك، كريستينا بياسي، جوزيب جي. كاناديل، فيليب سياس، ديفيد أوليفيلدت، بنجامين بولتر، بريندان م. روجرز، غستاف هوجيليوس تنسيق البيانات: مكينزي كوهين، آنا ماريا فيركالا، ستيفانو بوتر، بريندان م. روجرز، غستاف هوجيليوس

© 2024. المؤلفون.

هذه مقالة مفتوحة الوصول بموجب شروط رخصة المشاع الإبداعي للاستخدام، والتوزيع، وإعادة الإنتاج في أي وسيلة، بشرط أن يتم الاستشهاد بالعمل الأصلي بشكل صحيح.

صافي توازن غازات الدفيئة وميزانية منطقة التربة المتجمدة (2000-2020) من توسيع تدفقات النظام البيئي

جوستين راماج (D)، مكينزي كوهين (D)، آنا-ماريا فيركالاكارولينا فويتمايا إي. ماروشتشاك (D)، أنا باستوس (D، كريستينا بياسي (D)، جوسيب جي. كاناديل (D)، فيليب سياس (ب)، إيفرين لوبيز-بلانكو®، سوزان م. ناتاليديفيد أوليفيلدتستيفانو بوتر (D)، بنيامين بولتر (D)، بريندان م. روجرز (D)، إدوارد أ. ج. شور (D)، كلير تريت (D)، مريت ر. توريتسكيجينيفر واتس (D) ، وغوستاف هوجيليوس (د)قسم الجغرافيا الفيزيائية، جامعة ستوكهولم، ستوكهولم، السويد،مركز بولين لأبحاث المناخ، جامعة ستوكهولم، ستوكهولم، السويدقسم علوم الأرض، جامعة نيوهامبشير، دورهام، نيوهامبشير، الولايات المتحدة الأمريكية،مركز وودويل لأبحاث المناخ، فالموث، ماساتشوستس، الولايات المتحدة الأمريكيةجامعة هامبورغ، معهد علوم التربة، هامبورغ، ألمانياقسم العلوم البيئية والبيولوجية، جامعة شرق فنلندا، يليوبستينرانتا 1 E، كويبيو، فنلندا،قسم التكامل البيوجيوكيميائي، معهد ماكس بلانك لعلم البيوجيوكيمياء، يينا، ألمانياقسم علم البيئة، جامعة إنسبروك، إنسبروك، النمسا،مشروع الكربون العالمي، CSIRO البيئة، كانبيرا، ACT، أستراليا،مختبر علوم المناخ والبيئة، LSCE-IPSL (CEA-CNRS-UVSQ)، جامعة باريس-ساكلاي، غيف-sur-Yvette، فرنسا،قسم علوم البيئة، مركز أبحاث القطب الشمالي، جامعة آرهوس، روسكيلد، الدنماركقسم الموارد المتجددة، جامعة ألبرتا، إدمونتون، ألبرتا، كنداNASA GSFC، مختبر العلوم البيئية، غرينبيلت، ماريلاند، الولايات المتحدة الأمريكية،مركز علوم النظام البيئي والمجتمع، وقسم العلوم البيولوجية، جامعة شمال أريزونا، فلاجستاف، أريزونا، الولايات المتحدة الأمريكية،معهد ألفريد فيجنر مركز هيلمهولتز للبحوث القطبية والبحرية، بوتسدام، ألمانيامعهد الطاقة المتجددة والمستدامة، وقسم علم البيئة وعلم الأحياء التطوري، جامعة كولورادو، بولدر، كولورادو، الولايات المتحدة الأمريكية

الملخص

من المتوقع أن يتحول منطقة التربة المتجمدة الشمالية من مصب صافي إلى مصدر صافي للكربون تحت تأثير الاحترار العالمي. ومع ذلك، تظل تقديرات التوازن الحالي لغازات الدفيئة (GHG) وميزانيات منطقة التربة المتجمدة غير مؤكدة للغاية. هنا، نقوم بإنشاء أول ميزانيات شاملة من الأسفل إلى الأعلى لـ، و عبر منطقة التربة المتجمدة باستخدام قواعد بيانات تضم أكثر من 1000 قياس تدفق في الموقع ونهج تصعيد تدفق النظام البيئي القائم على تغطية الأرض للفترة من 2000 إلى 2020. تشير التقديرات إلى أن منطقة التربة المتجمدة أصدرت متوسط تدفق سنوي قدره، و إلى الغلاف الجوي طوال الفترة. وبالتالي، كانت المنطقة مصدرًا صافياً لـ و بينماكان التوازن قريبًا من الحياد ضمن عدم اليقين الكبير. كانت النظم البيئية الأرضية غير المضطربةحوضتعمل الانبعاثات الرأسية من الاضطرابات الناجمة عن الحرائق والمياه الداخلية على تعويض الفقد في النظم البيئية النباتية إلى حد كبير. عند تضمين التدفقات الجانبية لحساب كامل لميزانية غازات الدفيئة، كانت منطقة التربة المتجمدة مصدرًا صافياً للكربون والنيتروجين، حيث أطلقت ، 826) و تشير نطاقات عدم اليقين الكبيرة في هذه التقديرات إلى الحاجة إلى توسيع شبكات المراقبة، واستمرار جهود تجميع البيانات، وتحسين دمج الملاحظات الميدانية، وبيانات الاستشعار عن بعد، ونماذج النظام البيئي لتقييد الميزانيات الحالية للغازات الدفيئة في منطقة التربة المتجمدة وتتبع مسارها المستقبلي.

ملخص بلغة بسيطة ربع نصف الكرة الشمالي يقع تحت أرض مجمدة بشكل دائم تُسمى التربة الصقيعية. تحتوي هذه الأرض على كميات كبيرة من الكربون والنيتروجين، مما يجعل منطقة التربة الصقيعية أكبر خزان للكربون والنيتروجين على الأرض. بسبب الاحترار غير المسبوق، تذوب التربة الصقيعية وتعيد تشكيل المناظر الطبيعية، مما يؤثر على هيدرولوجيتها ودوراتها البيوجيوكيميائية. وهذا قد يزيد من إطلاق غازات الدفيئة مثل ثاني أكسيد الكربون.

الميثان

) وأكسيد النيتروز (

) إلى الغلاف الجوي، مما يؤثر على المناخ العالمي. على الرغم من أنه من المفترض أن يكون حاسمًا لدورة الكربون العالمية، فإن دور منطقة التربة المتجمدة في ميزانية الكربون العالمية غير معروف. نقدم ميزانيات شاملة لـ

، و

حسب أنواع تغطية الأراضي في التربة المتجمدة الرئيسية خلال الفترة من 2000 إلى 2020 عبر منطقة التربة المتجمدة الشمالية. تشير التقديرات إلى أن منطقة التربة المتجمدة كانت تطلق غازات الدفيئة طوال الفترة. بينما كانت المنطقة مصدرًا للميثان وأكسيد النيتروز، كان ميزان ثاني أكسيد الكربون قريبًا من الحياد مع وجود عدم يقين كبير. كانت انبعاثات ثاني أكسيد الكربون من حرائق الغابات والمياه الداخلية تعوض إلى حد كبير عن الامتصاص في النظم البيئية المزروعة. يمكن تقليص عدم اليقين في التقديرات من خلال زيادة عدد قياسات التدفق في الموقع في نظم بيئية متنوعة، وتحسين تصنيفات النظم البيئية، ودمج التدفقات الناتجة عن الاضطرابات. وعلم الفضاء.

الدورات البيوجيوكيميائية العالمية

التحليل الرسمي: مكينزي كوهين، آنا ماريا فيركالا، كارولينا فويت، مايا إي. ماروشتشاك، غوستاف هوجيليوس الحصول على التمويل: مكينزي كوهين، آنا ماريا فيركالا، كارولينا فويت، مايا إي. ماروشتشاك، كريستينا بياسي، ديفيد أوليفيلدت، بريندان م. روجرز، غوستاف هوجيليوس التحقيق: مكينزي كوهين، آنا ماريا فيركالا، كارولينا فويت، مايا إي. ماروشتشاك، غوستاف هوجيليوس المنهجية: مكينزي كوهين، آنا ماريا فيركالا، كارولينا فويت، مايا إي. ماروشتشاك، ديفيد أوليفيلدت، غوستاف هوجيليوس
إدارة المشروع: غوستاف هوغيليوس الموارد: ماكنزي كوهين، كارولينا فويت، مايا إي. ماروشتشاك، كريستينا بياسي، ديفيد أوليفيلدت، ستيفانو بوتر، بريندان م. روجرز، غوستاف هوغيليوس
الإشراف: غوستاف هوجيليوس التحقق: ماكنزي كوهين، آنا ماريا فيركالا، كارولينا فويت، مايا إي. ماروشتشاك، غوستاف هوجيليوس التصور: ماكنزي كوهين، آنا ماريا فيركالا، كارولينا فويت، مايا إي. ماروشتشاك

الكتابة – المسودة الأصلية: مكينزي كوهين، آنا-ماريا فيركالا، كارولينا فويت، مايا إي. ماروشتشاك، ديفيد أوليفيلدت
الكتابة – المراجعة والتحرير: مكينزي كوهين، آنا-ماريا فيركالا، كارولينا فويت، مايا إي. ماروشتشاك، آنا باستوس، كريستينا بياسي، جوزيب جي. كاناديل، فيليب سياس، إيفرن لوبيز بلانكو، سوزان م. ناتالي، ديفيد أوليفيلدت، ستيفانو بوتر، بنيامين بولتر، بريندان م. روجرز، إدوارد أ. ج. شور، كلير تريت، مريت ر. توريتسكي، جينيفر واتس، غوستاف هوجيليوس

1. المقدمة

تغطي منطقة التربة الصقيعية الشمالية ما يصل إلى 21 مليون

من الأرض في نصف الكرة الشمالي، والتي تبلغ حوالي

( 14 مليون

تحتها بالكامل طبقة من الجليد الدائم (Obu et al., 2021) – الأرض التي تكون عند أو تحت

لمدة عامين متتاليين على الأقل. الزيادات غير المسبوقة والمضخمة في درجة حرارة الهواء في القطب الشمالي (رانتانين وآخرون، 2022) لها تأثيرات قوية على درجات حرارة الأرض المتجمدة ومدى انتشارها (بيسكا بورن وآخرون، 2019؛ لي وآخرون، 2022)، مع توقعات المناخ المستقبلية التي تشير إلى احتمال فقدان مدى الأرض المتجمدة من

فترة الثقة) مليون

لكل

تغير درجة حرارة الأرض العالمية (تشادبورن وآخرون، 2017). العواقب مرئية بالفعل، حيث زادت درجات حرارة الأرض بالقرب من عمق الصفر السنوي في منطقة التربة المتجمدة المستمرة بـ

بين عامي 2007 و 2016، مما أدى إلى تقليص مدى الجليد الدائم بـ

بين عامي 1969 و2018 (بيسكا بورن وآخرون، 2019؛ لي وآخرون، 2022). تؤدي التغيرات في درجة حرارة الأرض إلى كشف كميات كبيرة من الكربون العضوي (C)، مما يؤدي إلى تدهور الكربون وإطلاق غازات الدفيئة (GHGs) في الغلاف الجوي مثل ثاني أكسيد الكربون.

الميثان

وأكسيد النيتروز

من التربة المتجمدة إلى الغلاف الجوي (Chen et al., 2021; Natali et al., 2019; Schuur et al., 2009, 2015; Treat et al., 2018; Voigt et al., 2020a).

يمكن أن يكون لهذا الإفراج عن غازات الدفيئة إلى الغلاف الجوي تأثير قوي على الدورة الكربونية العالمية، حيث يُقدّر أن الطبقات العليا الثلاثة من تربة مناطق التربة المتجمدة تخزن

من الكربون العضوي في التربة (Hugelius et al., 2014; Mishra et al., 2021) و 55 بيغاغرام من النيتروجين في التربة (N) (Palmtag et al., 2022). تخزن الرواسب الأعمق كمية إضافية من

“، مما يجعل منطقة التربة المتجمدة أكبر تجمع للكربون والنيتروجين على اليابسة في الأرض (شور وآخرون، 2022). لقد تراكمت هذه الكربونات والنيتروجين في التربة على مدى آلاف السنين بسبب محدودية التحلل الميكروبي عند درجات الحرارة المنخفضة وظروف المياه الراكدة، مما أدى إلى تراكم طويل الأمد للمواد العضوية ودمجها في التربة المتجمدة (تارنوكاي وآخرون، 2009). عند الذوبان – الذي يمكن أن يحدث تدريجياً أو بشكل مفاجئ – تتغير المناظر الطبيعية للتربة المتجمدة، مما يؤثر على هيدرولوجيتها ودوراتها البيوجيوكيميائية، مما يخلق ردود فعل محتملة كبيرة على المناخ العالمي (شور وآخرون، 2008، 2015، 2022). إن إطلاق غازات الدفيئة من التربة المتجمدة لديه القدرة على تسريع ارتفاع درجة حرارة المناخ العالمي، المعروف باسم “ردود فعل كربون التربة المتجمدة” (بورك وآخرون، 2017، 2022؛ شور وآخرون، 2015). بينما تزداد مواسم النمو الأطول، زادت

قد تؤدي تركيزات المغذيات الإضافية الناتجة عن ذوبان التربة الصقيعية إلى زيادة إنتاجية الغطاء النباتي وتعويض جزئي عن انبعاثات غازات الدفيئة من التربة الصقيعية (Koven et al., 2015; Liu, Kuhn, et al., 2022; López-Blanco et al., 2022; McGuire et al., 2018; Schuur & Mack, 2018)، بينما تسبب عمليات أخرى مثل الاضطرابات تحولات سريعة في هيكل المناظر الطبيعية (Schuur et al., 2008, 2011) وقد تسرع من انبعاث غازات الدفيئة إلى الغلاف الجوي.

على الرغم من أنه من المفترض أنه حاسم لدورة الكربون العالمية، فإن دور منطقة التربة المتجمدة الشمالية في ميزانية الكربون العالمية غير معروف. التقديرات الحالية لتبادل غازات الدفيئة الأرضية من التغطية الأرضية أو من التوسع العمودي للنظم البيئية المعتمد على التعلم الآلي تحدد النظام البيئي الأرضي للتربة المتجمدة الشمالية كخزان صافي لـ

، فيركالا وآخرون، 2021) ومصدر صافٍ من

، فويت وآخرون، 2020a)، على الرغم من بقاء عدم اليقين الكبير. تظل ميزانيات غازات الدفيئة في منطقة التربة المتجمدة الشمالية غير محددة بشكل جيد حيث إن فهمنا لتوازن غازات الدفيئة في هذه المنطقة قد تأثر بقلة توفر البيانات (من حيث الزمن والمكان) ومنظر طبيعي غير متجانس يصعب رسمه بدقة. تظهر واتس وآخرون (2023) أنه في المناطق الشمالية ذات العرض العالي، يتم تقليل الميزانية الصافية للكربون في النظام البيئي بحوالي

عندما تكون المياه الداخلية (مثل البحيرات، البرك، الجداول، والأنهار) معروفة بأنها مصادر انبعاثات كبيرة لـ

(كول وآخرون، 2007؛ سيريكوفا وآخرون، 2018؛ ستانلي وآخرون، 2016؛ ثورنتون وآخرون، 2016؛ ويك وآخرون، 2016) – مدرجة، وحسب تقريبا.

عندما تؤخذ الانبعاثات من المياه الداخلية والحرائق في الاعتبار. ومع ذلك، لم تتضمن أي دراسة حتى الآن المياه الداخلية والاضطرابات لتقييد ميزانية غازات الدفيئة في منطقة التربة المتجمدة وتوفير توازن صافي شامل لغازات الدفيئة.

هنا نملأ هذه الفجوة ونقدم ميزانيات شاملة لـ

حسب أنواع تغطية الأراضي في التربة المتجمدة الرئيسية خلال الفترة من 2000 إلى 2020 عبر منطقة التربة المتجمدة الشمالية باستخدام نهج توسيع تدفق واحد لجميع غازات الدفيئة الثلاثة. نحن ندرج معظم مكونات النظام البيئي ذات الصلة، وهي: النظم البيئية الأرضية، والمياه الداخلية، والتدفقات الجيولوجية، والتدفقات الجانبية، وتدفقات الحرائق. ومع ذلك، نستبعد الانبعاثات البشرية المباشرة الناتجة عن احتراق الوقود الأحفوري وتغير استخدام الأراضي. تمثل ميزانيات الكربون والنيتروجين الإجمالية التي نقدمها للمنطقة ميزانيات تغيير التخزين.

هذا الميزانية الإقليمية للتربة المتجمدة هي جزء من مشروع تقييم العمليات والدورات الكربونية الإقليمية-2 (RECCAP2) التابع لمشروع الكربون العالمي، الذي يهدف إلى جمع ودمج ميزانيات غازات الدفيئة الإقليمية لـ 12 منطقة برية و5 أحواض بحرية تغطي جميع الأراضي والمحيطات العالمية (Ciais et al.، 2022؛https://www.globalcarbonproject.org/تمت مناقشة مقارنات ميزانيات غازات الدفيئة باستخدام نهج تدفق الترقية وميزانيات مستندة إلى نماذج الانعكاس الجوي ونماذج العمليات الأرضية في Hugelius et al. (2023).

الشكل 1. منطقة BAWLD-RECCAP2 المحددة على أنها مدى التربة المتجمدة الشمالية (البيانات من Obu et al.، 2021) مقيدة بمنطقة مجموعة بيانات الأراضي الرطبة والبحيرات في القطب الشمالي البوريال (BAWLD، Olefeldt et al.، 2021). ي overlay الشكل مدى الغابات البوريالية والتندرا على منطقة BAWLD-RECCAP2 بالإضافة إلى مواقع المراقبة المستخدمة لتكبير غازات الدفيئة.

2. المواد والأساليب

2.1. منطقة الدراسة

تشمل المساحة المكانية للتربة المتجمدة المحددة في هذه الدراسة المناطق داخل منطقة التربة المتجمدة الشمالية كما هو محدد في أوبو وآخرون (2021) ومقيدة بمنطقة مجموعة بيانات الأراضي الرطبة والبحيرات في القطب الشمالي البوريال التي تحتوي على الفئات الرئيسية لتغطية الأرض اللازمة لتوسيع نطاقنا (مجموعة بيانات الأراضي الرطبة والبحيرات في القطب الشمالي البوريال (BAWLD)، أوليفيلدت وآخرون، 2021) (الشكل 1). ونتيجة لذلك، فإن منطقة التربة المتجمدة BAWLD-RECCAP2 لا تشمل مساحات كبيرة تحتها تربة متجمدة في وسط آسيا وهضبة التبت (موضحة في الشكل S1 في المعلومات الداعمة S1). منطقة التربة المتجمدة BAWLD-RECCAP2 التي تم النظر فيها في هذه الدراسة تبلغ 18.5 مليون

تم تعديل جميع تقديرات التدفق لتتناسب مع منطقة التربة المتجمدة BAWLD-RECCAP2 (المشار إليها فيما بعد بمنطقة التربة المتجمدة). تتداخل منطقة الدراسة مع عدة مناطق أخرى من RECCAP2 (Ciais et al.، 2022)، ولم يتم بذل جهد محدد لتنسيق الميزانيات المقدمة هنا مع ميزانيات RECCAP2 لتلك المناطق في هذه الورقة.

2.2. ميزانيات غازات الدفيئة من توسيع تدفقات النظام البيئي

تم حساب زيادة تدفق ميزانيات غازات الدفيئة المستندة إلى البيانات لفترة مرجعية من 2000-2020 من خلال جمع ميزانيات التدفق من النظم البيئية الأرضية، والمياه الداخلية، والتدفقات الجانبية، وانبعاثات الحرائق، والتدفقات الجيولوجية. لحساب إجمالي صافي تدفق غازات الدفيئة الإقليمي

استخدمنا المعادلة التالية:

أين

هو التدفق الغازي السنوي لمنطقة التربة المتجمدة للغازات الدفيئة المعنية

هو مساحة كل فئة من فئات تغطية الأرض

(الشكل 2، الجدول S1)، و

هو متوسط كثافة تدفق غازات الدفيئة للأرض المغطاة للأنواع

(الجدول S1).
استخدمنا قواعد بيانات التركيب الموجودة ومنتجات البيانات المصفوفة التي تم نشرها في السنوات الخمس الماضية لتقدير التدفقات المتوسطة السنوية ولفترة النمو لكل نوع من أنواع تغطية الأرض. جميع أرقام الميزانية مقدمة كوزن للكربون.

الشكل 2. النسبة المئوية للتغطية المحيطية لأنواع الغطاء الأرضي الخمسة المعدلة من مجموعة بيانات الأراضي الرطبة والبحيرات البورالية القطبية (BAWLD) (الغابات البورالية، الأراضي الرطبة غير المتجمدة، المستنقعات المتجمدة، التندرا الجافة، والأراضي الرطبة في التندرا) المستخدمة في توسيع نطاق ميزانيات تدفق غازات الدفيئة المعتمدة على النظام البيئي في هذه الدراسة. لاحظ أن هذه الخرائط تظهر التوزيعات عبر نطاق BAWLD الكامل كما قدمه أوليفيلدت وآخرون (2021)، وليس النطاق الأكثر محدودية لنطاق BAWLD المتجمد المستخدم في هذه الدراسة.

و N (أي،

) وليس كوزن جزيئات غازات الدفيئة. يتم الإبلاغ عن الميزانيات كمتوسطات تدفقات مع عدم اليقين مما يوفر

فترات الثقة (CI) في Tg C أو N.

2.3. تدفقات غازات الدفيئة من أنواع تغطية الأرض البرية

تم تعديل تصنيف تغطية الأرض المستخدم في التحليل من مجموعة تغطية الأرض BAWLD (Olefeldt et al.، 2021). يتم تمييز فئات تغطية الأرض في BAWLD بناءً على نظام الرطوبة، ونظام المغذيات/درجة الحموضة، وعمق التربة العضوية، والديناميكا المائية، ووجود أو عدم وجود التربة المتجمدة (Olefeldt et al.، 2021). لمطابقة مجموعات بيانات تدفق غازات الدفيئة الملاحظة، قمنا بتبسيط الفئات التسع لتغطية الأرض البرية في BAWLD إلى خمس: الغابات الشمالية، الأراضي الرطبة غير المتجمدة، التندرا الجافة، الأراضي الرطبة التندرا، والأراضي الرطبة المتجمدة (الشكل 2). تم تعريف الفئات على النحو التالي:

تشمل الأراضي الرطبة غير المتجمدة المستنقعات الخالية من التربة المتجمدة، والموائل، والأراضي الرطبة التي لا تحتوي على تربة متجمدة قريبة من السطح (انظر نظام تصنيف الأراضي الرطبة الكندية).
الغابات الشمالية هي نظم بيئية غابية ذات تربة غير رطبة. تهيمن الأشجار الصنوبرية، ولكن الفئة تشمل أيضًا الأشجار المتساقطة في المناخات الأكثر دفئًا و/أو في بعض المواقع الجغرافية. قد تحتوي نظم الغابات الشمالية على التربة المتجمدة أو تكون خالية من التربة المتجمدة.
الأراضي الرطبة المتجمدة هي نظم بيئية تحتوي على طبقات متجمدة قريبة من السطح وطبقات سميكة من الخث على السطح.يشمل ذلك البالس، وهضاب الخث، والأجزاء المرتفعة من المستنقعات الجليدية ذات المركز العالي والمنخفض. عادةً ما تكون لديها ظروف أومبروتروفية تسبب ظروفًا فقيرة بالمغذيات. تهيمن على الغطاء النباتي الطحالب، وطحالب سفاجنوم، والشجيرات الخشبية، وأحيانًا غابات مخروطية نادرة.
التندرا الجافة تشمل النظم البيئية الخالية من الأشجار (كل من التندرا القطبية المنخفضة والتندرا الجبلية) التي تهيمن عليها النباتات العشبية أو الشجيرية. عادةً ما تحتوي نظم التندرا الجافة على طبقة من الجليد الدائم بالقرب من السطح. يتم تمييز التندرا الجافة عن المستنقعات الجليدية الدائمة من خلال تربتها العضوية الأرق. )، ومن الأراضي الرطبة في التندرا من خلال تربتها المستنزفة (متوسط موقع مستوى المياهتحت سطح التربة).
الأراضي الرطبة في التندرا هي نظم بيئية بلا أشجار تحتوي على طبقة من الجليد الدائم بالقرب من السطح وظروف مشبعة أو مغمورة لجزء كبير من السنة. يمكن أن تكون الأراضي الرطبة في التندرا معدنية (الخث) أو يحتوي على الخث (الطين). يتميزون عن التندرا الجافة والمستنقعات المتجمدة بكونهم أكثر رطوبة ووجود هيدرولوجيا أكثر ديناميكية. تشمل الأراضي الرطبة في التندرا مناطق يمكن تصنيفها كمستنقعات تندرا في نظام تصنيف الأراضي الرطبة الكندي.

تم تطوير BAWLD خصيصًا لتلبية احتياجات

التوسع وكان يعتمد على المتاح

بيانات التدفق لفئات تغطية الأراضي المختلفة. تم اتخاذ هذا الاختيار لفئات تغطية الأراضي بعد تقييم نوع المواقع في ثلاثة قواعد بيانات للتدفق.

، و

استخدمت لزيادة النطاق (انظر الوصف أدناه)، مع التأكد من وجود بيانات كافية لكل فئة وأن الدمج كان أكثر التجميعات اقتصادية التي سمحت لنا بتقدير كل توازن غازات الدفيئة لكل فئة. لمطابقة مجموعات بيانات غازات الدفيئة الملاحظة (انظر القسم أدناه)، قمنا بتبسيط فئات تغطية الأراضي الرطبة لـ

التدفقات استنادًا إلى بيانات التدفق المتاحة، والمعلومات ذات الصلة حول فئات تغطية الأرض، والاختلافات في المحركات الميكانيكية. على سبيل المثال، بالنسبة لـ

تدفقات، كانت فئات الأراضي الرطبة في الأصل مفصولة بشكل أكثر خشونة إلى “أراضي الخث” (

“الطبقة العضوية” و”الأراضي الرطبة” (الأراضي الخثية بخلاف الأراضي الخثية). وبالتالي،

تم تطبيق تدفقات الأراضي الرطبة على المناطق الإجمالية للأراضي الرطبة في التندرا والمستنقعات، بينما

تم تطبيق تدفقات الأراضي الخثية على المناطق الإجمالية للموحلات، والبرك، والموحلات المتجمدة.

في عملية الترقية، احتفظنا بخمس فئات من الأراضي الرطبة المدرجة في العمل الذي قام به كوهين وآخرون (2021). بسبب نقص بيانات التدفق، لم يتم تضمين الأراضي الصخرية والأنهار الجليدية في التصنيف. مساحة كل فئة من فئات تغطية الأرض

في

يظهر عبر منطقة التربة المتجمدة في الشكل 2 ومفصل في الجدول S1.

متوسط تدفق غازات الدفيئة لتغطية الأرض

تم الحصول عليها لكل من الفئات الخمس لتغطية الأراضي الأرضية بعد توحيد وتحليل ثلاث مجموعات بيانات شاملة لتدفقات غازات الدفيئة: فيركالا وآخرون (2022) لـ

التدفقات؛ كوهين وآخرون (2021أ) من أجل

التدفقات؛ وVoigt وآخرون (2020أ، 2020ب) لـ

التدفقات. تم استخراج بيانات إضافية من الأدبيات للغابة الشمالية

التدفقات (كيم وتاناكا، 2003؛ كوستر، كوستر، بيرنجر، هاينونسالو، وبومباني، 2018؛ ماتسون وآخرون، 2009؛ موريشيتا وآخرون، 2007؛ شيلر وهستي، 1996؛ سيمبسون وآخرون، 1997؛ الله وآخرون، 2009) منذ أن

مجموعة بيانات التدفق من Voigt et al. (2020b) لا تغطي نظم الغابات الشمالية. تتكون هذه المجموعات من حوالي 1,000 ملاحظة في الموقع خلال موسم النمو وسنوية (بما في ذلك ملاحظات متعددة من بعض المواقع) للتدفقات الأرضية التي تم الحصول عليها من أكثر من 200 موقع باستخدام غرفة (لـ

، و

)، الانتشار (لـ

)، وقياس التغيرات الدوامية (لـ

تم تعريف طول موسم النمو من يونيو إلى أغسطس (90 يومًا) لمواقع التندرا والأراضي الرطبة ذات التربة المتجمدة، ومن مايو إلى سبتمبر (150 يومًا) للغابات الشمالية والأراضي الرطبة غير المتجمدة.

تتكون مجموعة البيانات من قياسات على مدار السنة لتبادل النظام البيئي الصافي (NEE)، والتي استخدمناها لحساب موسم النمو وNEE السنوي. تم حساب متوسط التدفقات استنادًا إلى 93 موقعًا و403 ملاحظات لموسم نمو NEE و54 موقعًا و222 ملاحظة لـNEE السنوي.

توفر مجموعات البيانات قياسات موسم النمو استنادًا إلى 98 موقعًا و458 ملاحظة لـ

التبادل و47 موقعًا و91 ملاحظة عن

التبادل. بالنسبة للمواقع التي تحتوي على قياسات غير مكتملة لموسم النمو، قمنا بضرب متوسط التدفقات اليومية في طول موسم النمو. سنويًا

تم تقدير التدفقات على افتراض أن انبعاثات موسم النمو كانت تمثل

انبعاثات سنوية (Treat et al.، 2018)، باستثناء الغابات الشمالية حيث افترضنا أن انبعاثات موسم النمو تمثل

من الانبعاثات السنوية حيث كانت المواقع تتوسط صافي

تغطية بيانات امتصاص موسم النمو والبيانات المتاحة لكسور موسم الشتاء فقط

الأنظمة البيئية المنبعثة (Treat et al.، 2018). لذلك، يجب اعتبار تقديرنا السنوي للغابات الشمالية تقديرًا محافظًا. سنويًا

تم تقدير التدفقات على افتراض أن انبعاثات موسم النمو كانت تمثل

الانبعاثات السنوية كما هو موضح في Voigt et al. (2020a). بالنسبة لجميع غازات الدفيئة الثلاثة، تم تضمين المواقع التي لا تحتوي على سجل لاضطرابات ذوبان التلال الجبلية الكبيرة في البيانات الوصفية فقط في تقديرات التدفق لتجنب احتساب الانبعاثات من ذوبان التلال الجبلية بشكل مزدوج (انظر المنهجية للاضطرابات). ومع ذلك، على الرغم من ندرتها، قمنا بتضمين مواقع أخرى متضررة في دراستنا.

تقديرات لأخذ النظام البيئي في الاعتبار

الخسائر الناتجة عن الاضطرابات ومراحلها المختلفة (على سبيل المثال، أربعة مواقع تُبلغ عن الكارست الحراري؛ فيركالا وآخرون، 2022). تم تصنيف المواقع من مجموعات بيانات تدفق غازات الدفيئة المذكورة أعلاه إلى واحدة من خمس فئات لتغطية الأراضي البرية باستخدام البيانات الوصفية المقدمة في كل من مجموعات البيانات.

بينما يركز هذا الدراسة على الفترة من 2000 إلى 2020، فإننا ندرج جميع القياسات في الموقع التي تم الحصول عليها بين 1991 و2020 من أجل التغلب على الكمية المحدودة من قياسات التدفق في بعض النظم البيئية وبالتالي ضمان تمثيل مكاني كافٍ لتدفقات النظم البيئية. تحليل منفصل لعقد من الزمن

أظهرت التدفقات من 1991 إلى 2020 عدم وجود اختلافات، مما يشير إلى أن تمديد سلسلة الزمن إلى 1991 لا يؤثر على نتائجنا (الجدول S3).

يمكن العثور على مزيد من التفاصيل حول كيفية تنفيذ تصعيد تدفق النظام البيئي (النص S1 في المعلومات الداعمة S1) بالإضافة إلى التغطية الزمنية لهذه البيانات في المواد التكميلية (الشكل S2 في المعلومات الداعمة S1، الجدول S2).

2.4. تدفقات غازات الدفيئة العمودية من المياه الداخلية

على غرار الطريقة المستخدمة لحساب انبعاثات غازات الدفيئة من أنواع تغطية الأراضي، تم حساب تدفقات غازات الدفيئة من المياه الداخلية من خلال زيادة متوسط تدفقات غازات الدفيئة من البحيرات والأنهار (انظر أدناه) باستخدام المساحة السطحية المقدرة لهذه الفئات المائية من تصنيف BAWLD (Olefeldt et al.، 2021) المعدلة لتناسب منطقة الدراسة (انظر الجدول التكميلي S1 لتقدير مدى المياه الداخلية).

2.4.1. تدفقات غازات الدفيئة العمودية من الأنهار

تم حساب تدفقات غازات الدفيئة من الأنهار الجوية بطرق مختلفة لكل غاز دفيئة، اعتمادًا على البيانات المصدر المتاحة، وعند الإمكان تم توسيعها عبر المنطقة باستخدام مساحة الأنهار من منطقة التربة المتجمدة.

)، كما ورد في BAWLD.

تقديرات الأنهار والجداول

تم حساب التدفقات من بيانات التدفق الشهرية المصفوفة المقدرة بواسطة ليو (2021؛https://doi.org/10.5061/dryad.d7wm37pz9;درع من مياه النهر المذابة

ضغط وسرعة نقل الغاز. يتم تسليم هذه البيانات كشبكات عالمية غير متوقعة مع

القرار (الذي هو تقريبا

بكسلات في القطب الشمالي العالي). تم قص الشبكات العالمية لتناسب مدى BAWLD ثم أعيدت إعادة إسقاطها إلى شبكة ذات مساحة متساوية عند

القرار. تم قياس التدفقات النهرية العمودية عبر المنطقة النهرية في المجال BAWLD (

موسم الأنهار الخالية من الجليد

تم حساب الانبعاثات استنادًا إلى متوسط التدفق السنوي المبلغ عنه لمنطقة القطب الشمالي بواسطة ليو، كيمبال، وآخرون (2022). النهر

التدفق الذي أبلغ عنه ليو، كيمبال، وآخرون (2022) من

يتضمن عدد الأيام الخالية من الجليد؛ لذلك، قمنا بتوسيع النطاق من خلال ضرب التدفق في المساحة النهرية. لتقدير إجمالي التدفق السنوي للنهر

الانبعاثات – بما في ذلك الانبعاثات التي تم إطلاقها بعد ذوبان الجليد في الربيع – افترضنا أن انبعاثات ذوبان الجليد كانت تمثل

من الانبعاثات السنوية (دينفيلد وآخرون، 2018؛ متسق مع النهج الذي اتبعه ليو، كيمبال، وآخرون، 2022). نهرية

تم تحديد الانبعاثات باستخدام المتوسط

التدفق الانتشاري المبلغ عنه في MethDB (ستانلي وآخرون، 2016). وجد ستانلي وآخرون (2016) أن الانتشاري

لم تختلف الانبعاثات إحصائيًا عبر خطوط العرض وقامت بتوسيع الأنهار العالمية

الانبعاثات باستخدام قيمة متوسطة واحدة. نظرًا للعدد المحدود من التقارير

التدفقات للأنهار في القطب الشمالي، استخدمنا نفس النهج كما في ستانلي وآخرون (2016) وطبقنا تدفق انتشاري عالمي متوسط قدره 135 ملغ

إلى منطقة النهر. لأنه توجد دراسات قليلة تقيس

الانبعاثات عند ذوبان الجليد، قدمنا طلبًا لـ

نفس التقدير كما لـ

، حيث

تحدث التدفقات السنوية خلال الفترة الخالية من الجليد (دينفيلد وآخرون، 2018؛ متسقة مع النهج الذي اتبعه ليو، كوهين، وآخرون، 2022). لم يتم تضمين الغليان للأنهار

تقديرات الانبعاثات بسبب قلة القياسات المتاحة في الأدبيات لهذه المنطقة (ستانلي وآخرون، 2016). تقديرات النهر

تم اشتقاق التدفقات من بيانات سنوية مصفوفة

تدفق مقدر بواسطة نموذج توازن الكتلة الميكانيكي الذي تم تطويره عالميًا للمياه الداخلية بواسطة ماافارا وآخرون (2019). تم إعادة إسقاط هذه البيانات من أصل

تم تحويل الشبكة غير المسقطة إلى شبكة ذات مساحة متساوية بدقة 1 كم وتم قصها لتناسب مدى BAWLD. نظرًا لعدم معرفة المساحة السطحية الأصلية للبحيرات والأنهار، لم يتم إجراء أي تصحيح لمساحة المياه الداخلية.

تم تحديد عدم اليقين في توازن غازات الدفيئة في الأنهار باستخدام الخطأ القياسي ومعامل التباين المبلغ عنه من قبل ليو، كوهين، وآخرون (2022)، ستانلي وآخرون (2016) ومافارا وآخرون (2019)، على التوالي، لـ

، و

2.4.2. تدفقات غازات الدفيئة العمودية من البحيرات

تم استخراج التدفقات (الانتشار والغليان) من مجموعة بيانات النظام البيئي المائي BAWLD-CH4 وتصنيفها بناءً على الفئات (بحيرات ييدوما، برك الأراضي الخثية، والبحيرات والبرك العضوية الفقيرة الجليدية/ما بعد الجليدية) والأحجام، من الكبيرة (

) إلى متوسط الحجم (

إلى بحيرات صغيرة

) (كون وآخرون، 2021أ؛ المساحة الإجمالية

; الجدول S4). كما في Olefeldt وآخرون (2021) أي منطقة – بغض النظر عن حجمها – من المحتمل أن تتعرض للغمر

تعتبر فترة موسم النمو (المتوسط طويل الأجل) جزءًا من فئات تغطية الأراضي حول البحيرات. تم تحديد الأيام الخالية من الجليد بناءً على متوسطات الأيام المبلغ عنها الخالية من الجليد لكل نوع من أنواع البحيرات، واستخدمت هذه المعلومات لتحديد تدفقات الموسم الخالي من الجليد (الجدول التكميلي S1). بالإضافة إلى انبعاثات الأيام الخالية من الجليد، تم اعتبار انبعاثات ذوبان الجليد في الربيع (أي، المساهمة الشتوية) كـ

من الإجمالي السنوي (ويك وآخرون، 2016).

البحيرة المقدرة

تم تجميع التدفقات من مصادر متعددة متاحة استنادًا إلى بحث أدبي تم في مايو 2022 (هامبورغ وآخرون، 2010؛ كارلسون وآخرون، 2013؛ كورتلاينين وآخرون، 2006؛ بيليتييه وآخرون، 2014؛ راسيليو وآخرون، 2015؛ روشر-روس وآخرون، 2017؛ سيبولفيدا-خاوريغوي وآخرون، 2015) وتم تلخيصها في الجدول S5). تشير الدراسات إلى بحيرة

تدفقات كقيم متوسطة للتدفقات لمناطق سطح البحيرات المختلفة المصنفة. أخذنا هذه المتوسطات وقمنا بتجميعها حسب فئات حجم البحيرات المدرجة في BAWLD.

لم نجد أي اختلافات إحصائية في التدفقات بين مجموعات الحجم، وبالتالي استخدمنا متوسط بحيرة واحد.

تدفق للتوسع على مدار العام والمنطقة

لقد استخدمنا نفس عدد الأيام الخالية من الجليد الذي تم استخدامه لتقدير البحيرة

الانبعاثات (أيام خالية من الجليد المبلغ عنها في الأدبيات لكل فئة من البحيرات).

لتقدير تدفقات البحيرة من

تم استخدام بيانات عالمية متدرجة عن التدفق السنوي من Lauerwald وآخرون (2019). هذه التقديرات تستند إلى أكسيد النيتروز (

نموذج الانبعاثات الذي تم تطويره بواسطة Maavara وآخرون (2019) وقاعدة بيانات HydroLAKES وتم إعادة إسقاطه من أصل

شبكة غير متوقعة إلى شبكة ذات مساحة متساوية بدقة 1 كم ومقصوصة إلى مدى BAWLD. نظرًا لعدم معرفة المساحة السطحية الأصلية للبحيرات والأنهار، لم يتم إجراء أي تصحيح لمساحة المياه الداخلية. عدم اليقين بالنسبة للبحيرة

تم تحديدها باستخدام معامل التباين المبلغ عنه للمناطق شمال

خط العرض في لورفالد وآخرون (2019).

2.5. الاضطرابات – تدفقات غازات الدفيئة من الحرائق والذوبان المفاجئ

تم استخراج انبعاثات غازات الدفيئة الشهرية من قاعدة بيانات الانبعاثات العالمية للحرائق الإصدار 4s للمنطقة الدراسية للفترة من 1997 إلى 2016 وإصدارها التجريبي للسنوات 2017-2020 (GFED؛ فان دير ويرف وآخرون، 2017). تستند تقديرات GFED4s للمناطق المحترقة إلى بيانات الاستشعار عن بعد بدقة مكانية تبلغ

(van der Werf et al., 2017). تنبعث غازات الدفيئة في GFED4s من ضرب المساحة المحترقة واستهلاك الوقود لكل وحدة من المساحة المحترقة، حيث أن الأخير هو ناتج الأحمال الوقودية النموذجية لكل وحدة مساحة وكمال الاحتراق. لغرضنا، قمنا باستخراج متوسط انبعاثات غازات الدفيئة السنوية من المناطق المحترقة باستخدام GFED4s للفترة من 2000 إلى 2016 وGFED4s Beta للفترة من 2017 إلى 2020. للتحقق من صحة استخدام GFED4s Beta للفترة اللاحقة، قمنا بمقارنة الانبعاثات التي تم الحصول عليها مع تلك التي قدمها فان ويس وآخرون (2022) (الشكل S3 في المعلومات الداعمة S1).

يُعتقد أن الاضطرابات المحلية، ولكن الواسعة الانتشار، المرتبطة بالذوبان المفاجئ تسهم بشكل كبير في انبعاثات غازات الدفيئة من التربة المتجمدة (Abbott & Jones، 2015؛ Holloway et al.، 2020؛ Marushchak et al.، 2021؛ Runge et al.، 2022؛ Turetsky et al.، 2020؛ Walker et al.، 2019؛ Yang et al.، 2018). يشمل الذوبان المفاجئ عمليات الذوبان التي تؤثر على التربة المتجمدة في فترات تتراوح من أيام إلى عدة سنوات (Grosse et al.، 2011)، وعادة ما يرتبط بعمليات الكارست الحراري والتآكل الحراري التي تؤدي إلى تشكيل ميزات التآكل على المنحدرات (انزلاقات الذوبان، خنادق التآكل الحراري والانفصالات في الطبقة النشطة)، وبحيرات الكارست الحراري، والأراضي الرطبة الكارستية (أي، مستنقعات الندوب الناتجة عن الانهيار والأراضي الرطبة). نحن نبلغ عن مناطق الذوبان المفاجئ والبيانات السنوية المستمدة منها.

الانبعاثات باستخدام نموذج الذوبان المفاجئ القائم على الجرد من تأليف توريتسكي وآخرون (2020)، حيث يتم تقدير الانبعاثات الجوية لثلاثة أنواع عامة من تضاريس الذوبان المفاجئ: السهول الغنية بالمعادن، والمنحدرات الجبلية، والأراضي الرطبة الغنية بالمواد العضوية. في نموذج الذوبان المفاجئ، تستند مناطق الذوبان المفاجئ إلى ملاحظات ميدانية مركبة وقياسات استشعار عن بعد. تم تجميع انبعاثات غازات الدفيئة من الذوبان المفاجئ لكل حالة نظام بيئي ضمن كل نوع من أنواع الذوبان المفاجئ من الأدبيات (حوالي 20 ورقة بحثية منشورة). تم تهيئة نموذج الذوبان المفاجئ لفترة تقييم تاريخية (1900-2000) لتزويد النموذج بفترة بداية ومنع تدفقات الكربون الإقليمية من البدء من الصفر في بداية فترة القياس الديناميكية. كانت معدلات الذوبان عمومًا في حالة توازن مع التعاقب واستعادة الجليد السطحي خلال فترة التهيئة هذه. تم تتبع التغيرات في مساحة كل حالة تعاقبية بمرور الوقت من خلال ضرب المساحات الابتدائية بمعدلات الانتقال. تم إجراء تقديرات لانبعاثات غازات الدفيئة الناتجة عن الذوبان المفاجئ بعد فترة التقييم التاريخية من خلال زيادة معدلات الذوبان المفاجئ مع مرور الوقت. تم وصف هذه الزيادة في معدل الذوبان لتتبع متوسط مخرجات نماذج سطح الأرض “الممكنة من الجليد الدائم”، والتي تم فرضها جميعًا بواسطة شذوذات المناخ الجوي من نموذج نظام المناخ المجتمعي 4 لنموذج النظام الأرضي تحت توقع RCP8.5. لغرضنا، قمنا بتشغيل نموذج الذوبان المفاجئ للفترة من 2000 إلى 2020، واستخراج التراكمية

انبعاثات من ميزات الذوبان المفاجئ النشطة والمستقرة، والتدفقات السنوية المستمدة لكل نوع من أنواع تضاريس الذوبان المفاجئ للفترة الزمنية من 2000 إلى 2020. استخدمنا نطاقات عدم اليقين المبلغ عنها لـ

في مناطق تلال المرتفعات

في المناطق المنخفضة الغنية بالمعادن، و

في المناطق الرطبة الغنية بالمواد العضوية، كما في Turetsky وآخرون (2020). يمكن العثور على تفاصيل إضافية حول نموذج الجرد في Turetsky وآخرون (2020). نظرًا لأن مجموعات بيانات غازات الدفيئة التي استخدمناها لتوسيع نطاق النظام البيئي تأخذ جزئيًا في الاعتبار الذوبان المفاجئ ولمنع العد المزدوج لتدفقات غازات الدفيئة، تمت إضافة تدفقات CO2 و CH4 الناتجة عن الذوبان المفاجئ كجزء فرعي (لم تُضاف إلى الإجمالي) من تدفقات الغطاء الأرضي والمائي الداخلي.
تم مناقشة المساهمة في إجمالي ميزانية غازات الدفيئة. بسبب نقص الملاحظات المباشرة حول تأثيرات الذوبان المفاجئ على

تدفقات في مجموعات البيانات المستخدمة، لا

يتم تقديم التوازن لذوبان مفاجئ.

2.6. التدفقات الجانبية والانبعاثات الجيولوجية

تُؤخذ تدفقات الكربون العضوي المذاب (DOC) والنيتروجين العضوي المذاب (DON) من النقل النهري والتآكل الساحلي (أي الخسائر من منطقة التربة المتجمدة إلى المحيط) من دراسة تيرهاار وآخرون (2021)، والتي تمثل جميع الأراضي شمال

قدّروا التدفقات الجانبية النهرية لأكبر ستة أنهار في القطب الشمالي (ماكنزي، يوكون، كوليما، لينا، أوب، يني سي) من مجموعة بيانات مرصد الأنهار الكبرى في القطب الشمالي وقاموا بتعميمها على كامل حوض القطب الشمالي. تم حساب الانبعاثات الناتجة عن تآكل السواحل من خلال ضرب التقديرات المكانية لمعدلات تآكل السواحل بتقديرات محتوى الكربون في التربة الساحلية التي قدمها لانتويت وآخرون (2012).

تقديرات الانبعاثات الجيولوجية لـ

(من خزانات الهيدروكربونات الأحفورية تحت السطح) مأخوذة من تقدير موسع لمنطقة التربة المتجمدة القطبية حول العالم للغازات المتسربة على طول حدود التربة المتجمدة وأسرّة البحيرات التي أعدها والتر أنطوني وآخرون (2012). نلاحظ أن هناك بعض المخاطر من احتساب هذه التدفقات مرتين، خاصة في المواقع التي قد تكون فيها أبراج تدفق التباين الدوامي قد وُضعت عن غير قصد بالقرب من تسربات جيولوجية.

الانبعاثات. لا توجد تقديرات منفصلة للانبعاثات الجيولوجية لـ

أو

متاحة لمنطقة التربة المتجمدة. لـ

تُقدَّر الانبعاثات الجيولوجية العالمية الكاملة بـ

(مورنا وإيتيوبي، 2002).

3. النتائج والمناقشة

3.1. صافي توازن غازات الدفيئة من أنواع تغطية الأراضي البرية

تمثل النظم البيئية الأرضية مصدراً لامتصاص الكربون على مدى عقود

ومصدر لـ

(الجدول 1، الشكل 3). المتوسط السنوي

كان التدفق مصبًا صافيًا، لكنه لم يكن يمكن تمييزه عن

محايد عندما

تم اعتبار فترة الثقة ( -339.6 (

)

يمكن أن يُعزى نطاق عدم اليقين الواسع إلى التباين الطبيعي الكبير في

التدفقات عبر المواقع وإلى تباين أنواع النظم البيئية المضمنة في كل من فئات تغطية الأرض المحددة في تصنيف BAWLD. كانت الغابات الشمالية والأراضي الرطبة غير المتجمدة

أحواض ( -270.3 و

، على التوالي)، بينما كانت الأراضي الرطبة في التندرا والمستنقعات المتجمدة قريبة من الحياد ( -2.7 و

، على التوالي). كانت التندرا الجافة النوع الوحيد من النظام البيئي المصنف كنظام بيئي سنوي

مصدر (

)، ولكن نطاق عدم اليقين الواسع جداً (

) تشير إلى انخفاض الثقة في علامة هذه التدفق. كانت النظم البيئية الأرضية بشكل عام مصدراً صافياً لـ

خلال موسم النمو

، مع الأقوى

في الغابة الشمالية

(الجدول 2).

العمودي السنوي الأرضي

تم الإبلاغ عن التوازن في المناطق ذات العروض العليا في أوراق بحثية حديثة باستخدام أساليب تصعيد مختلفة. بينما ترتبط ارتباطًا وثيقًا بسبب التداخل في بيانات التدفق، تم الإبلاغ عن امتصاص NEE أعلى من قبل كل من فيركالا وآخرون (2021) وواتس وآخرون (2023) ( -419 (

من -559 إلى -189)

و -601 (خطأ قياسي لـ

، على التوالي). ومع ذلك، فإن تقديرات امتصاص NEE لمنطقة التربة المتجمدة فقط أضعف، مع امتصاص قدره

، على التوالي). الفرق بين امتصاصات NEE اللاحقة ونتائجنا يتعلق بمجموعة البيانات المضمنة في التحليلات (تدفقات برج التذبذب فقط في واتس وآخرون، 2023)، والسنوات المختلفة التي تغطيها التحليلات (فيركالا وآخرون، 2021: 1990-2015، واتس وآخرون، 2023: 2003-2015)، والامتدادات المكانية المختلفة، ونهج التوسيع المطبق (نموذج تدفق الكربون الأرضي في القطب الشمالي (TCFM-Arctic) في واتس وآخرون، 2023، والتوسيع الإحصائي في فيركالا وآخرون، 2021). كلا الدراستين بالإضافة إلى تجميع RECCAP السابق (1990-2006، مكغواير وآخرون، 2012) يبلغان عن التندرا كمنطقة ضعيفة

; و

، على التوالي) على الرغم من أنهم يظهرون أيضًا أن التندرا السنوية

لا يمكن تمييز التوازن عن

محايد عند أخذ نطاق عدم اليقين في الاعتبار. التندرا الجافة

تم تحديد التوازن أيضًا كمصدر لـ

في مكغواير وآخرون (2012).

صافي الدخل السنوي المقدر لدينا

مصدر لـ

من النظم البيئية الأرضية (الجدول 1) كان مدفوعًا إلى حد كبير بانبعاثات من الأراضي الرطبة غير المتجمدة (20.6 (14.3، 26.9) Tg CH4-C سنويًا). كما في Treat et al. (2018)، أصدرت الأراضي الرطبة غير المتجمدة أكثر من الأراضي الرطبة في التندرا. سنويًا

تقديرات التدفق للموائل التندرا الرطبة

) والتندرا الجافة (

كانت في النطاق الأدنى من التقديرات السابقة التي قدمها مكغواير وآخرون (2012)، حيث تم تقدير أن التندرا ستطلق 11 (0، 22)

(بين عامي 1990 و 2006). موسمنا الزراعي

كان الميزانية مصدرًا لـ 16 (8.6،

الجدول 1
غازات الدفيئة (

، و

توازن وإجمالي ميزانيات الكربون والنيتروجين لمنطقة التربة المتجمدة بناءً على توسيع تدفقات النظام البيئي

	منطقة

		معنى	فترة الثقة 2.5%	فترة الثقة 97.5%	معنى	فترة الثقة 2.5%	فترة الثقة 97.5%	معنى	فترة الثقة 2.5%	فترة الثقة 97.5%
أغطية الأراضي المرتفعة والأراضي الرطبة	17.05	-٣٣٩.٥٩	-835.5	156.3	٢٥.٦	14.7	٣٦.٤	0.55	-0.03	1.1
الغابات الشمالية	٩	-270.32	-539.8	-0.9	-1.1	-2.2	0.0	0.14	-0.01	0.30
الأراضي الرطبة غير المتجمدة	1.6	-69.4	-124.7	-14.2	20.6	14.3	٢٦.٩	0.07	-0.03	0.17
مستنقعات الجليد الدائم	0.86	-0.05	-0.82	0.73	0.7	0.3	1.1	0.10	-0.03	0.23
التندرا الجافة	5.2	2.9	-147.6	153.5	2.1	-0.4	٤.٥	0.23	0.04	0.42
الأراضي الرطبة التندرا	0.38	-2.7	-22.6	17.2	3.3	2.7	3.9	0.01	0.00	0.02
جزء فرعي من ذوبان مفاجئ للأراضي الرطبة	0.72	19.3	12.6	٢٦.١	19.05	12.4	٢٥.٧	غير متوفر	غير متوفر	غير متوفر
جزء فرعي من ذوبان مفاجئ على منحدر التلال المرتفعة	0.014	0.3	0.2	0.5	٤.١	٢.٤	5.7	غير متوفر	غير متوفر	غير متوفر
المياه الداخلية	1.4	230.6	132.4	٣٥٩.٨	9.4	٤.٥	13.1	0.0019	0.0008	0.0029
أنهار	0.12	164.4	107.3	٢٢٢.٥	2.3	1.6	2.9	0.0006	0.0004	0.0008
بحيرات	1.3	66.2	٢٥.١	137.3	٧.١	2.9	10.2	0.0012	0.0004	0.002
الجزء الفرعي من بحيرات الذوبان المفاجئ في الأراضي المنخفضة	0.43	11.6	8.2	15.1	7.8	٥.٥	10	غير متوفر	غير متوفر	غير متوفر
حرائق	1.1	121.0	96.7	145.3	1.8	1.4	2.1	0.12	0.10	0.15
شمالي	0.96	١١١.٠	٨٧.٧	١٣٤.٣	1.6	1.3	2.0	0.113	0.089	0.137
التندرا	0.11	9.4	٥.٥	١٣.٣	0.14	0.08	0.20	0.009	0.005	0.014
انبعاثات جيولوجية		غير متوفر	غير متوفر	غير متوفر	1.5	1.2	1.8	غير متوفر	غير متوفر	غير متوفر
إجمالي توازن غازات الدفيئة		11.98	-606.4	661.4	٣٨.٣	21.8	53.4	0.67	0.07	1.25
التدفقات الجانبية		94	79	111	غير متوفر	غير متوفر	غير متوفر	2.6	1.9	3.6
تدفق نهري		78	70	87				1.0	0.9	1.1
تآكل السواحل		15	9.2	٢٤				1.6	1.0	2.5
الإجماليو N الميزانيات		١٠٦.٠	-527.4	772.4				3.3	2.0	٤.٨

ملاحظة. تمثل انبعاثات غازات الدفيئة السلبية امتصاصًا بينما تمثل الانبعاثات الإيجابية إطلاقًا. يتم الإبلاغ عن انبعاثات غازات الدفيئة من النظم البيئية الأرضية كمتوسط تدفقات مع 2.5 و

فترات الثقة (CI). يتم الإبلاغ عن انبعاثات غازات الدفيئة من المياه الداخلية والحرائق مع 5 و

يتم الإبلاغ عن انبعاثات غازات الدفيئة الناتجة عن الذوبان المفاجئ بـ

نطاق عدم اليقين. تم استخدام القيم الغامقة لتسليط الضوء على الأعمدة التي تحتوي على القيم المتوسطة.

تُقدّر هذه التدفقات باستخدام نموذج الذوبان المفاجئ من توريستكي وآخرون (2020) وتُعتبر مضافة إلى المجموع لهذه الفئات (لتجنب العد المزدوج للتدفقات).

يتضمن

، وتدفقات جانبية.
23.3

(الجدول 2)، حيث تساهم الأراضي الرطبة غير المتجمدة

. جميع النظم البيئية الأرضية باستثناء الغابات الشمالية كانت صافية

المصادر. كانت الغابات الشمالية مصدراً صافياً لـ

). هذه الشبكة

تم إظهار امتصاص من الغابات الشمالية في تحليل شامل لمستوى المواقع ومستوى القطع.

على نحو

(كون et al.، 2021). هذا مدفوع إلى حد كبير بالصافي

الأكسدة في التربة الهوائية، التي تغطيها العديد من الطحالب الغابية (غير الطحالب السرخسية). علاوة على ذلك، فإن التحقيقات الأخيرة حول الآليات التنظيمية لـ

تظهر الأكسدة في الغابات الشمالية أدلة على أن الكربون العضوي في التربة يشكل متغيرًا مهمًا يحكم الغابة.

غمر من خلال توفير مركبات كربونية بديلة للميثانوتروفات وتعزيز نشاطها عن طريق تحفيز النمو (لي وآخرون، 2023). الغمر الصافي للغلاف الجوي

في التربة جيدة التصريف معترف بها على نطاق واسع في الميزانيات العالمية (مثل، ساونوايس وآخرون، 2019) وكذلك في الدراسات القائمة على العمليات السابقة (ويلاين وآخرون، 1992). لدينا

كان الرصيد السنوي أقل من التقديرات الخاصة بالمستنقعات في العروض العليا الشمالية.

) عند 31، 32، و

(اعتمادًا على خرائط توزيع الأراضي الرطبة) بواسطة بيلتولا وآخرون (2019) و

بواسطة واتس وآخرون (2023). ومع ذلك، فإننا

تقدير توازن موسم النمو كان أعلى من التوازن المستند إلى 93 ملاحظة المقدمة في Treat et al. (2018) باستثناء الأراضي الرطبة في التندرا حيث تبقى ضمن نفس النطاق. على الرغم من تغطيتها الواسعة، كانت التندرا الجافة مصدرًا صغيرًا لـ

خلال موسم النمو

على الرغم من أن الحد الأدنى من فترة الثقة يشير إلى أنه قد يظل مصبًا. هناك حاجة إلى مزيد من القياسات من هذه النظم البيئية الأكثر جفافًا، حيث تشير الدراسات الحديثة أيضًا إلى أن تربة التندرا، وخاصة المناطق المرتفعة ذات التصريف الجيد، قد تكون مهمة.

الأحواض (D’Imperio وآخرون، 2023؛ Oh وآخرون، 2020؛ Voigt وآخرون، 2023).

الشكل 3. مخطط تبادل غازات الدفيئة السنوية (GHGs)

، و

) لفئات الغطاء الأرضي الخمسة (الغابات الشمالية

الأراضي الرطبة غير المتجمدة

التندرا الجافة

الأراضي الرطبة التندرا

) وموائل الجليد الدائم (

))؛ فئات المياه الداخلية (الأنهار (

) والبحيرات

تُبلغ أيضًا عن التدفقات الجانبية السنوية الناتجة عن تآكل السواحل والتدفقات النهرية في

. الرموز الخاصة بالتدفقات تشير إلى مرتفع (

)، متوسط (Q1

) ، و منخفض (

تدفقات، بالمقارنة مع الربع (Q). لاحظ أن الكميات عبر ثلاثة تدفقات مختلفة من غازات الدفيئة ضمن كل فئة من فئات تغطية الأرض لا يمكن مقارنتها مع بعضها البعض.

نحن

تقدير الميزانية السنوية لـ

1.1)

تشير الجدول 1 إلى أن النظم البيئية الأرضية كانت

المصدر، على الرغم من نطاق عدم اليقين حول

تتوسع التدفقات من حوض صغير إلى مصدر أكبر. ترتبط هذه الشكوك العالية جزئيًا بعدد الملاحظات المحدود

التدفقات (47 موقعًا و91 ملاحظة)، التي تشمل فقط ملاحظات موسم النمو. تقديرنا السنوي

التوازن ضمن النطاق الذي تم الإبلاغ عنه سابقًا بواسطة فويت وآخرون (2020a) (

تقدير قائم على المتوسط الوسيط). في دراستنا، كانت التندرا الجافة هي الأكبر

مصدر (

). بورال

الجدول 2
انبعاثات غازات الدفيئة (GHGs-CO2) خلال موسم النمو (gs)

، و

من النظم البيئية الأرضية في منطقة التربة المتجمدة

	منطقة									المواقع (#)
	منطقة
		المواقع (#)	معنى	فترة الثقة 2.5%	فترة الثقة 97.5%	المواقع (#)	معنى	فترة الثقة 2.5%	فترة الثقة 97.5%		معنى	فترة الثقة 2.5%	فترة الثقة 97.5%
أغطية الأراضي المرتفعة والأراضي الرطبة	17.05	95	-1,611	-2148	-1,074	٤٥٨	16	٨.٦	٢٣.٣	٤٥	0.273	-0.019	0.572
الغابات الشمالية	9	٢٥	-1,034	-1,305	-763	26	-1.1	-2.3	0	١٣	0.07	-0.01	0.15
الأراضي الرطبة غير المتجمدة	1.6	10	-145	-193	-96	182	١٣	9.1	17	11	0.03	-0.02	0.09
مستنقعات الجليد الدائم	0.86	2	-54	-139	31	79	0.50	0.20	0.70	٥	0.05	-0.01	0.11
التندرا الجافة	5.2	٢٥	-358	-٤٨٢	-234	62	1.4	-0.3	2.9	16	0.11	-0.02	0.21
الأراضي الرطبة التندرا	0.38	٣٣	-20	-29	-234	١٠٩	2.1	1.7	٢٥	11	0.01	0.00	0.01

ملاحظة. يتم الإبلاغ عن انبعاثات غازات الدفيئة كمتوسط تدفقات مع 2.5 و

فترات الثقة (CI).

تشمل الأراضي الرطبة غير المتجمدة المستنقعات، والأراضي المنخفضة، والمستنقعات. بسبب نقص البيانات،

تُفترض التدفقات في الأراضي الرطبة غير المتجمدة أن تكون مساوية لتلك الموجودة في الأراضي الرطبة التندرا.

كانت الغابات ثاني أكبر

مصدر

نظرًا لمساحتها الكبيرة، على الرغم من أن تدفقاتها لكل وحدة مساحة كانت صغيرة (الجدول S6،

). على الرغم من أنهم يشغلون جزءًا صغيرًا من المنظر (

كانت المستنقعات المتجمدة هي الأكبر

مصدات لكل وحدة مساحة (الجدول S6،

) ومساهمتهم في المنطقة

الرصيد كان

تتضمن التقديرات لبرك الجليد الدائم انبعاثات من أسطح الخث القاحلة، حيث تكون النباتات الوعائية غائبة – الأسطح التي تم تحديدها سابقًا على أنها

نقاط ساخنة في القطب الشمالي بسبب الظروف المثالية لـ

الإنتاج (جيل وآخرون، 2022؛ ماروششاك وآخرون، 2011؛ ريبوا وآخرون، 2009). لا يزال هناك تحدٍ يتعلق برسم خرائط المستنقعات المتجمدة والأراضي القاحلة ودمجها ضمن تصنيفات تغطية الأرض. لذلك، لم نفرق بين مناطق المستنقعات المتجمدة المكسوة بالنباتات وغير المكسوة بالنباتات عند التوسع.

كانت الانبعاثات من الأراضي الرطبة في التندرا ضئيلة (0.01 (0.00 ، 0.02) Tg

)، والذي يمكن تفسيره بنقص إمدادات النترات كـ

السابقة تحت ظروف مخفضة وتقليل

إلى

خلال عملية نزع النيتروجين عندما يكون مستوى المياه مرتفعًا (باتر باخ-باهل وداننمان، 2011؛ فويت وآخرون، 2017). الملاحظات الأخيرة التي لم تُدرج في

تظهر مجموعة بيانات المراجعة (فويت وآخرون، 2020أ) أن الأراضي الرطبة قد تعمل أيضًا كصافي

الغمر في القطب الشمالي (شولتز وآخرون، 2023).

3.2. صافي توازن غازات الدفيئة من المياه الداخلية

كانت النظم البيئية المائية الداخلية مصدرًا صافياً لـ

)، و

). تصدر الأنهار سنويًا

إلى الغلاف الجوي. هذه التدفقات العالية من الأنهار ناتجة عن تشبعها الزائد في

بينما يستقبلون ويخرجون الغاز

المستمدة من التربة المجاورة. حسب علمنا، لا توجد تقديرات سنوية محددة لغازات الدفيئة النهرية لمنطقة التربة المتجمدة للمقارنة مع تقديراتنا؛ ومع ذلك، عند مقارنتها بالانبعاثات من المناطق ذات العروض العالية، فإننا

انبعاثات الأنهار ضمن النطاق الأدنى من التقديرات المنشورة

(ثورنتون وآخرون، 2016).
بالنسبة لانبعاثات الأنهار، كانت البحيرات مصدرًا أضعف لـ

لكن مصدر أقوى من

الجدول 1). بحيرتنا السنوية

“تقدير الانبعاثات أقل من التقديرات السابقة التي أبلغ عنها ويك وآخرون (2016) (12.4 (7.3، 25.7)

) وماثيوز وآخرون (2020) (13.8-17.7

). هذا مرتبط جزئيًا بالاختلاف في تصنيفات البحيرات حيث تم فصل البحيرات في هذه الدراسة حسب النوع وفئات الحجم، في حين أن التقديرات السابقة فصلت البحيرات حسب النوع فقط – على الرغم من أن أحجام المجالات تختلف قليلاً. أكبر مصدر للبحيرة

كانت الانبعاثات من بحيرات الخث الصغيرة

انبعاثات البحيرات، الجدول S4)، التي تهيمن على المناطق الغنية بالبيتم في سهول خليج هدسون في كندا وسهول غرب سيبيريا في روسيا الغربية (Olefeldt et al.، 2021). ومع ذلك، فإن مناطق البحيرات الصغيرة المقدرة بواسطة BAWLD هي من بين الأكثر عدم يقين من فئات تغطية الأرض (Olefeldt et al.، 2021) بسبب البيانات المكانية المحدودة المستخدمة للبحيرات وتنوع التدفقات الكبير بين البحيرات الصغيرة عبر النطاق (Muster et al.، 2019). متوسط بحيراتنا وأنهارنا

تقديرات الانبعاثات لمنطقة التربة المتجمدة

من التقارير العالمية السنوية

انبعاثات البحيرات (هولجرسون ورايموند، 2016) والأنهار (ليو، كيمبال، وآخرون، 2022). نلاحظ أن هناك نقصًا كبيرًا في

بيانات التدفق لبحيرات الشمال القطبي (ستانلي وآخرون، 2016)، مما يجعل تقديراتنا غير مؤكدة للغاية. بينما لا يوجد تقدير لـ

انبعاثات من البحيرات القطبية، قدر كورتلاينن وآخرون (2020) البحيرات الشمالية

الانبعاثات عند 0.029 (

)

3.3. صافي توازن غازات الدفيئة الناتجة عن الاضطرابات

الحرائق داخل منطقة الدراسة أثرت على

خلال الفترة من 2000 إلى 2020. في المتوسط، أثرت الحرائق على 0.06 مليون

سنويًا، ينبعث 121 (96.7، 145.3)

، و0.12 (

)

كان تسعين في المئة من المساحة المحترقة سنويًا في المنطقة البورالية، مما ساهم في أكثر من

انبعاثات غازات الدفيئة من حرائق منطقة التربة المتجمدة (الجدول 1). الحريق

تعويض الانبعاثات ثلث

الامتصاص من النظم البيئية الأرضية، بينما

انبعاثات الحرائق تمثل

من

المنبعثة من النظم البيئية الأرضية، على التوالي. تقديرات انبعاثاتنا من الحرائق تعكس بشكل رئيسي الانبعاثات المباشرة الناتجة عن الاحتراق. هناك أيضًا عنصر من زيادة النمو خلال فترة التعافي بعد الحريق، والذي لا نحسبه بشكل صريح. ومع ذلك، يتم احتسابه بشكل غير مباشر حيث تم جمع العديد من بيانات التدفق في الموقع من النظم البيئية التي تم حرقها سابقًا (مما يزيد من متوسط تدفق تغطية الأرض). تقديرنا لانبعاثات الكربون من الحرائق للنظم البيئية الشمالية

أقل قليلاً من ذلك لـ

كما أبلغ عنه سابقًا في Veraverbeke وآخرون (2021). باستخدام بيانات GFED4s، قد يكون تقديرنا يقلل من تقدير الحرائق

الانبعاثات، كما هو موضح في بوتير وآخرون (2022)، حيث كانت انبعاثات GFED4s

أقل من تلك التي تم الحصول عليها باستخدام منتج ABoVEFED المعتمد على البيانات.

تم تقدير المساحة الإجمالية المتأثرة بالذوبان المفاجئ النشط والمستقر بين عامي 2000 و 2020 بـ

في الأراضي المنخفضة،

في المرتفعات، و

في الأراضي الرطبة)، مما يمثل حوالي

من منطقة التربة الصقيعية (الجدول 1). بشكل عام، كانت المناطق المتأثرة بالذوبان المفاجئ مصدرًا صافياً لـ

(الجدول 1، التفاصيل في الجدول S7).

كانت الانبعاثات من ذوبان الأراضي الرطبة المفاجئ هي الأكبر (الجدول 1). لم يتم تضمين تقديرات غازات الدفيئة من الذوبان المفاجئ مباشرة في ميزان غازات الدفيئة للتربة المتجمدة، حيث لم يكن من الممكن معرفة مقدار ما تم حسابه بالفعل في ميزان غازات الدفيئة من التوسع الأرضي. ومع ذلك، فإن تأثير عمليات الذوبان المفاجئ على دورة الكربون في منطقة التربة المتجمدة كبير، ومن المتوقع أن تسهم تقريبًا بقدر ما تسهم الذوبان التدريجي في القوة الإشعاعية المستقبلية الناتجة عن ذوبان التربة المتجمدة (توريستكي وآخرون، 2020).

3.4. إجمالي انبعاثات الغازات الدفيئة، والكربون، وميزانيات النيتروجين

عند تلخيص جميع مكونات الميزانية، كانت منطقة التربة المتجمدة مصدرًا لغازات الدفيئة طوال الفترة من 2000 إلى 2020 (الجدول 1). انبعاثات

كانوا ضعفاء مع

بسبب الحجم الكبير

الامتصاص من النظم البيئية الأرضية. كانت الانبعاثات من النظم البيئية المائية أكبر مصدر لـ

سنويًا.

الانبعاثات كانت

، على التوالي، مع النظم البيئية الأرضية كأكبر المساهمين (

، على التوالي). كانت التدفقات الجانبية

تي جي

(الجدول 1)، مع مساهمة التدفق النهري

على التوالي.

مع الأخذ في الاعتبار جميع مكونات الميزانية المذكورة أعلاه، فإن الإجمالي C (بما في ذلك الغلاف الجوي

، وميزانية التدفقات الجانبية) لمنطقة التربة المتجمدة بين عامي 2000 و 2020 قدرت بـ 144.3 ( -505.6 ،

جوي

ساهم بحوالي

إلى إجمالي الكربون المنبعث من المنطقة، بينما الغلاف الجوي

ساهم

الميزانية الإجمالية N لمنطقة التربة المتجمدة كانت

. معظم الـ

تم إطلاق النيتروجين من خلال التدفقات الجانبية، مع تآكل السواحل الذي يطلق

من إجمالي N من المنطقة. الغلاف الجوي

من المياه الداخلية كان ضئيلاً، في حين أن الغلاف الجوي

من النظم البيئية الأرضية الممثلة

من إجمالي النيتروجين المنطلق في منطقة التربة المتجمدة. الغلاف الجوي

الخسائر الناتجة عن الحرائق تمثل

من N في منطقة التربة المتجمدة.

3.5. المصادر الرئيسية للغموض واتجاهات البحث

3.5.1. القيود في عدد الملاحظات

تتعلق إحدى التحديات الرئيسية في تمثيل تبادل غازات الدفيئة في البيئات ذات العرض العالي والنائية بالقيود المفروضة على التمثيل المكاني، وطول وجودة سلاسل الملاحظات الزمنية (بالاندت وآخرون، 2022؛ فيركالا وآخرون، 2018). تعتبر مجموعات البيانات التركيبية المستخدمة هنا لتقدير تدفقات غازات الدفيئة هي الأكثر شمولاً المتاحة حالياً وقد نمت بشكل كبير خلال العقد الماضي. ومع ذلك، لا تزال هناك حاجة إلى مزيد من الملاحظات التي تغطي الدورات السنوية الكاملة لتحسين تمثيل المناظر الطبيعية المتنوعة والتي تعاني من نقص التمثيل والظروف المناخية. على وجه الخصوص، هناك حاجة إلى مزيد من الملاحظات من فئة تغطية الأراضي التندرا الجافة للتحقق من حالة مصدر-مصرف غازات الدفيئة الخاصة بها ومن النظم البيئية التي تتعرض للاضطرابات مثل الذوبان المفاجئ.

تكون قياسات التدفق محدودة في الغابات الشمالية، و

قياسات التدفق نادرة لجميع النظم البيئية الأرضية والمائية. عبر جميع تدفقات غازات الدفيئة، تعتبر القياسات في البيئات ذات التدفقات المنخفضة مهمة أيضًا لتجنب تحيز فهمنا نحو مناطق النقاط الساخنة. يمكن التغلب على القيود المتعلقة بعدد قياسات التدفق من خلال زيادة التجارب في الموقع وفي المختبر. ستحسن هذه الخطوة الفهم القائم على العمليات للتدفقات واستجابتها للتغيرات في درجة الحرارة والرطوبة وذوبان التربة المتجمدة وغيرها من الاضطرابات. يجب إعطاء الأولوية لتحسينات في تقارير القياسات والبيانات الوصفية من أجل دمج أفضل للبيانات المتاحة، خاصة لمعالجة تقارير التدفقات الصفرية الصافية أو السلبية. يمكن التغلب على صعوبات قياس معدلات التبادل الصغيرة من خلال استخدام تقنيات جديدة تعتمد على أدوات الليزر المحمولة عالية الدقة (مثل، D’Imperio وآخرون، 2017؛ Juncher Jørgensen وآخرون، 2015). مؤخرًا، أصبحت مثل هذه الأدوات المحمولة عالية الدقة متاحة أيضًا لـ

، مما يفتح آفاقًا لفرص أكثر عددًا ودقة

تقديرات التدفق، بما في ذلك التقاط

امتصاص

قياسات التدفق من المياه الداخلية لا تزال نادرة وغالبًا ما تكون تقديرات ذوبان الجليد مفقودة لـ

التدفقات. علاوة على ذلك، فإن المسطحات المائية التي تغمرها المياه موسمياً ليست ممثلة بشكل جيد على الرغم من أنها قد تساهم بشكل كبير في إطلاق غازات الدفيئة في فترات زمنية قصيرة.

تُعتبر تقديرات التدفقات الجانبية للكربون والنيتروجين في المناطق ذات العرض العالي مقيدة بشكل جيد مقارنة بتدفقات غازات الدفيئة بين اليابسة والغلاف الجوي. ومع ذلك، فإن التقديرات المتاحة مقدمة للأنهار القطبية الستة الكبرى التي تمثل

من إجمالي المساحة التي تغطيها الأنهار (Speetjens et al.، 2023). على الرغم من أن الأحواض الأصغر وفيرة للغاية، إلا أن تقديرات تدفقات غازات الدفيئة ليست محددة بشكل جيد لمنطقة التربة المتجمدة. سيسمح تحسين هذا الفهم بدمج تدفقات الأحواض الأصغر في التقديرات الرئيسية لتدفقات المياه الداخلية.

تختلف تدفقات غازات الدفيئة بين فئات تغطية الأرض بشكل كبير. لذلك، من الضروري الحصول على تمثيلها بشكل صحيح لتحسين تصعيد تدفقات غازات الدفيئة المعتمدة على تغطية الأرض. حتى الآن، لا يوجد تصنيف دقيق لتغطية الأرض في المناظر الطبيعية للتربة المتجمدة (سواء الجافة أو الرطبة) على نطاق دائري قطبي. استخدمنا تصنيف تغطية الأرض BAWLD (Olefeldt et al., 2021) الذي تم فيه تعريف فئات تغطية الأرض لتمكين التصعيد.

التدفقات على مقاييس مكانية كبيرة. بينما هي ذات صلة كبيرة لتسهيل رسم الخرائط على نطاق واسع من

تدفقات، تفتقر إلى الفئات الكافية للسماح بالفصل بين مجموعات النظم البيئية الجافة التي قد تحتوي على تباين كبير في

أو

التدفقات. هذه هي الحالة بالنسبة لفئات التندرا الجافة والغابات الشمالية التي تتكون من فسيفساء من النظم البيئية بأنواع نباتية مختلفة. وهذا يؤدي إلى نطاق كبير من عدم اليقين في تقدير تدفق فئة التندرا الجافة (انظر الجدول 1، الجدول S6)، مما يجعل تفسير تقديرات التدفق صعبًا.

انبعاثات من المسطحات المائية الصغيرة

تمثل المياه الداخلية المهمة على مستوى العالم

التدفقات (هولجرسون ورايموند، 2016) وحتى أكثر في خطوط العرض العالية. على الرغم من أخذها في الاعتبار في هذه الدراسة، فإن الانبعاثات من المسطحات المائية الصغيرة غير مؤكدة إلى حد كبير لأنها صعبة التحديد على نطاق واسع بسبب تقلباتها الزمنية والمكانية العالية. يمكن أن تكون البرك والبحيرات الصغيرة مؤقتة ويمكن أن يتغير حجمها اعتمادًا على كمية الهطول بعد ذوبان الثلوج؛ حيث تتوسع كثيرًا في السنوات الرطبة وبعد ذوبان الثلوج وغالبًا ما يمكن أن تختفي في السنوات الجافة أو في وقت متأخر من الصيف. سيساهم تحسين الدقة المكانية والزمنية للمنتجات المستخدمة لرسم خرائط المياه الداخلية في تحسين تمثيل المسطحات المائية الصغيرة، مما سيحل مصدرًا حرجًا من عدم اليقين في حساب تبادل غازات الدفيئة.

3.5.3. فهم محدود لتأثير الاضطرابات على ميزانية غازات الدفيئة

بينما تمر النظم البيئية بدورات الاضطراب، هناك خسائر ومكاسب من الكربون والنيتروجين للنظم البيئية. من غير الواضح مدى دقة ديناميات ما بعد الاضطراب، على سبيل المثال، النمو الجديد بعد الحريق، في قياسات تدفق النظم البيئية لدينا. تأخذ انبعاثاتنا من الحرائق في الاعتبار انبعاثات غازات الدفيئة المباشرة ولكنها لا تأخذ في الاعتبار الانبعاثات التربة غير المباشرة والأطول أجلاً الناتجة عن ذوبان الأرض بسبب الحرائق. على الرغم من أن خسائر الكربون قد تعوضها التحولات في تركيب الأنواع (Mack et al., 2021; Randerson et al., 2006; Ueyama et al., 2019)، يمكن أن تؤدي الحرائق أيضًا إلى بدء ذوبان وتدهور المزيد من التربة المتجمدة (Genet et al., 2013; Gibson et al., 2018; Jafarov et al., 2013). وبالتالي، يمكن أن تؤدي الحرائق إلى تحولات في المناظر الطبيعية، مما يؤثر على الدورة البيوجيوكيميائية (Abbott & Jones, 2015; Bouskill et al., 2022; Hermesdorf et al., 2022; Köster, Köster, Berninger, Prokushkin, et al., 2018; Marushchak et al., 2021; Randerson et al., 2006; Ullah et al., 2009; Voigt et al., 2017; Wilkerson et al., 2019). سيساعد تحسين فهمنا لانتقالات المناظر الطبيعية بسبب الحرائق في تحديد مساهمة الاضطرابات في توازن غازات الدفيئة في المنطقة. ستحتاج ميزانيات غازات الدفيئة القادمة لمنطقة التربة المتجمدة إلى بيانات جديدة عن انبعاثات الحرائق تأخذ في الاعتبار عمليات التعافي بعد الحرائق.

تظل المساحة الجغرافية وانبعاثات غازات الدفيئة الناتجة عن الاضطرابات الناتجة عن الذوبان المفاجئ غير محددة بشكل جيد بسبب نقص البيانات المتاحة (توريستكي وآخرون، 2020). لا تزال قياسات التدفق الناتجة عن الذوبان المفاجئ نادرة، وبالتالي يجب تفسير تقديرات التدفق المبلغ عنها بحذر. يجب أن يكون تحسين عدد القياسات في الموقع من الاضطرابات الناتجة عن الذوبان المفاجئ والتقارير المتسقة مفتاحًا لفهم تأثير الذوبان المفاجئ على ميزانيات غازات الدفيئة في التربة المتجمدة. تحتاج معدلات الانتقال (من الذوبان المفاجئ النشط إلى الميزات المستقرة الناتجة عن الذوبان المفاجئ) إلى مزيد من الفهم، ولا يزال يتعين تحسين رسم الخرائط المنهجية لمناطق الذوبان المفاجئ لتقييد الانبعاثات الناتجة عن الذوبان المفاجئ بشكل أفضل.

لم يتم تضمين الانبعاثات الناتجة عن الذوبان المفاجئ في هذه الدراسة بسبب العدد القليل من الملاحظات المبلغ عنها في الأدبيات وقلة الفهم حول تأثير الذوبان المفاجئ على الانبعاثات.

. ومع ذلك، فقد أظهرت الدراسات أن مثل هذه الاضطرابات تسبب في كثير من الأحيان

نقاط انبعاث ساخنة (فويت وآخرون، 2020أ). دراستان حديثتان تستخدمان نموذج النظام البيئي الأرضي تحاكيان زيادة فقدان النيتروجين الغازي من ذوبان التربة المتجمدة (لاكروix وآخرون، 2022؛ يوان وآخرون، 2023). أظهرت دراسة أخرى أن امتصاص الغلاف الجوي

في هضاب الخث ومستنقعات الثيرموكارست زادت مع درجة حرارة التربة ورطوبة التربة بعد الاضطرابات (شولتز وآخرون، 2023). ستحدد الهيدرولوجيا المحلية ما إذا كان الموقع سيتحول إلى مصدر لـ

بعد الذوبان، يمكن أن تحدث انبعاثات عالية في ظروف رطوبة متوسطة في التربة الغنية بالنيتروجين (ماروشتشاك وآخرون، 2021)، ولكن الانتقال إلى الأراضي الرطبة سيعزز نزع النيتروجين مع

كمنتج نهائي ومنع علوم الفضاء

الدورات البيوجيوكيميائية العالمية

شكر وتقدير

هذا العمل هو جهد تعاوني من مشروع الكربون العالمي للدراسة الثانية لدورة الكربون الإقليمية والعمليات (RECCAP2) ويساهم في تحدي الميثان القطبي والتربة المتجمدة. يعترف JR و GH بالدعم من برنامج أفق 2020 للبحث والابتكار التابع للاتحاد الأوروبي لمشروع نوناتاريك (رقم 773421) والدعم من مشروع AMPAC-Net الممول من وكالة الفضاء الأوروبية. حصل JR على تمويل إضافي من الأكاديمية السويدية للعلوم (Formas) بموجب منحة FR-2021/0004. حصل EJB على تمويل من برنامج أفق 2020 للبحث والابتكار التابع للاتحاد الأوروبي بموجب اتفاقية منحة رقم 101003536 (نماذج نظام الأرض ESM2025 للمستقبل) ومن برنامج المناخ لمكتب الأرصاد الجوية هادلي التابع لوزارة الأعمال والطاقة والاستراتيجية الصناعية/وزارة البيئة في المملكة المتحدة (GA01101). تم دعم عمل MEM من قبل أكاديمية فنلندا في إطار مركز الكفاءة في الغلاف الجوي والمناخ (رقم 337550). تم دعم CV من قبل مشروع أكاديمية فنلندا MUFFIN (منحة 332196) ومشروع BMBF MOMENT (رقم 03F0931 A). يتقدم CB بالشكر لأكاديمية فنلندا (مشروع NPERM – القرار رقم 341348، مشروع NOCA – القرار رقم 314630 ومشروع Yedoma-N القرار رقم 287469) على الدعم المالي. تم تمويل AMV و BMR و SMN و JDW و SP من قبل مؤسسة غوردون وبيتي مور (منحة 8414) ومن خلال التمويل الذي تم تحفيزه من قبل مشروع Audacious (مسارات التربة المتجمدة). تم دعم MAK من قبل برنامج NSF PRFB (الملخص رقم 2109429). يعترف CT بالدعم من خلال مشروع Palmod، الممول من وزارة التعليم والبحث الفيدرالية الألمانية (BMBF)، منحة 01LP1921 A. تم تمويل JGC من قبل البرنامج الوطني الأسترالي للعلوم البيئية (NESP2) – مركز أنظمة المناخ. يتم دعم نشاط عكس MIROC4-ACTM من قبل تحدي القطب الشمالي للاستدامة المرحلة الثانية (ArCS-II؛ JPMXD1420318865) مشاريع وزارة التعليم والثقافة والرياضة والعلوم والتكنولوجيا (MEXT)، وصندوق البحث والتطوير في البيئة (JPMEERF21S20800) التابع لوكالة استعادة وحماية البيئة في اليابان. تعتبر ELB هذه الدراسة مساهمة في GreenFeedBack (تدفقات غازات الدفيئة والتغذية المرتدة لنظام الأرض) الممول من برنامج HORIZON للبحث والابتكار التابع للاتحاد الأوروبي بموجب اتفاقية منحة رقم 101056921. تم تمويل EAGS من قبل NSF PLR أنشطة الشبكات البحثية لعلوم النظام القطبي: تجميع ملاحظات التدفق لتقييم توقعات نموذج تبادل الكربون في التربة المتجمدة (2019-2023) منحة 1931333.

إطلاق (Butterbach-Bahl & Dannenmann، 2011؛ Voigt وآخرون، 2017) أو حتى التسبب أو تعزيز صافي

الامتصاص (شولتز وآخرون، 2023).

بينما يتحسن فهمنا للعمليات التي تؤدي إلى إطلاق غازات الدفيئة من خلال الذوبان المفاجئ باستمرار، ستتمكن ميزانيات غازات الدفيئة في التربة المتجمدة المستقبلية من دمج التدفقات الجوية والجانبية من الذوبان المفاجئ بشكل أفضل. حتى الآن، لا يأخذ نموذج الذوبان المفاجئ (Turetsky et al., 2020) في الاعتبار التدفقات الجانبية الناتجة عن الذوبان المفاجئ. بينما قد نلتقط هذه الخسائر من خلال تدفقاتنا الجانبية، يجب أن تسمح الميزانيات المستقبلية بقياس النسبة المئوية لما يتم فقده بسبب الذوبان المفاجئ. لم يتم تقدير الاضطرابات الأخرى بما في ذلك الاضطرابات البشرية (مثل قطع الأشجار والتLogging) في هذه الدراسة. يمكن أن تهدف الميزانيات المستقبلية إلى تحديد تأثير هذه الاضطرابات على ميزانية غازات الدفيئة في التربة المتجمدة.

4. الاستنتاجات

باستخدام نهج تصعيد تدفقات النظام البيئي القائم على تغطية الأرض (بما في ذلك التدفقات من النظم البيئية الأرضية، والمياه الداخلية، والاضطرابات، والتدفقات الجيولوجية)، تم تحديد منطقة التربة المتجمدة كمصدر سنوي لغازات الدفيئة بين عامي 2000 و2020. أصدرت المنطقة

(يعني و

نطاق فترة الثقة المستخدمة فيما بعد،

، و

إلى الغلاف الجوي. وبالتالي كانت المنطقة مصدرًا صافياً لـ

. ل

على الرغم من أن المتوسط لمدة 20 عامًا هو مصدر صافٍ، إلا أن نطاق عدم اليقين لا يزال كبيرًا، ممتدًا من مصب كبير إلى مصدر أكبر.

وبالتالي تحدي حساب علامة التدفق الصافي. نقترح أن النظم البيئية الأرضية كانت على الأرجح نظامًا بيئيًا

غرق، لكن الانبعاثات الناتجة عن الاضطرابات والمياه الداخلية تعوض هذا التدفق، مما يجعل الكل

الميزانية غير قابلة للتفريق إلى حد كبير عن الصفر (محايدة). الإجمالي C (بما في ذلك الغلاف الجوي

، وتقديرات التدفقات الجانبية) وميزانيات النيتروجين لمنطقة التربة المتجمدة تم تقديرها إلى

بيان توفر البيانات

تم الحصول على متوسط تدفقات غازات الدفيئة للأراضي المغطاة لكل من الفئات الخمس للأراضي البرية بعد توحيد وتحليل ثلاث مجموعات بيانات شاملة لتدفقات غازات الدفيئة: فيركالا وآخرون (2022) لـ

التدفقات؛ كوهين وآخرون (2021أ) من أجل

التدفقات؛ وVoigt وآخرون (2020أ، 2020ب) لـ

التدفقات. تم استخراج بيانات إضافية من الأدبيات للغابة الشمالية

مجموعة بيانات التدفق من فويت وآخرون (2020ب) لا تغطي نظم الغابات الشمالية. تقديرات الأنهار والجداول

تم حساب التدفقات من بيانات التدفق الشهرية المصفوفة المقدرة بواسطة ليو (2021؛https://doi.org/10.5061/dryad.d7wm37pz9;درع). تقديرات النهر

تم اشتقاق التدفقات من بيانات سنوية مصفوفة

تدفق الميثان المقدّر بواسطة نموذج توازن الكتلة الميكانيكي الذي تم تطويره عالميًا للمياه الداخلية بواسطة مافار وآخرون (2019). تم استخراج تدفقات الميثان (الانتشار والانفجار) من مجموعة بيانات النظام البيئي المائي BAWLD-CH4 (كون وآخرون، 2021a). تم تقدير بحيرة

تم تجميع التدفقات من مصادر متعددة متاحة استنادًا إلى بحث أدبي تم في مايو 2022 (هامبورغ وآخرون، 2010؛ كارلسون وآخرون، 2013؛ كورتيلين وآخرون، 2006؛ بيليتييه وآخرون، 2014؛ راسيليو وآخرون، 2015؛ روشر-روس وآخرون، 2017؛ سيبولفيدا-خاوريغوي وآخرون، 2015) وتم تلخيصها في الجدول S5). لتقدير تدفقات البحيرات من

تم استخدام بيانات سنوية موزعة جغرافياً من لوروالد وآخرون (2019). تم استخراج انبعاثات غازات الدفيئة الناتجة عن الحرائق الشهرية لمنطقة الدراسة من قاعدة بيانات الانبعاثات العالمية للحرائق الإصدار 4s للفترة من 1997 إلى 2016 وإصدارها التجريبي للسنوات 2017-2020 (GFED؛ فان دير ويرف وآخرون، 2017). نحن نبلغ عن مناطق الذوبان المفاجئ والمشتقات السنوية.

انبعاثات باستخدام نموذج الذوبان المفاجئ القائم على الجرد من تأليف توريتسكي وآخرون (2020). تدفقات الكربون والنيتروجين الجانبية من النقل النهري والتآكل الساحلي (أي، خسائر الكربون العضوي المذاب والنيتروجين العضوي المذاب من منطقة التربة المتجمدة إلى المحيط) مأخوذة من تيرهار وآخرون (2021). تقديرات الانبعاثات الجيولوجية من

(من خزانات الهيدروكربونات الأحفورية تحت السطحية) مأخوذة من تقدير موسع لمنطقة التربة المتجمدة القطبية حول تسرب الغاز على طول حدود التربة المتجمدة وأسرّة البحيرات التي أعدها والتر أنطوني وآخرون (2012).

References

Abbott, B. W., & Jones, J. B. (2015). Permafrost collapse alters soil carbon stocks, respiration, CH4, and N2O in upland tundra. Global Change Biology, 21(12), 4570-4587. https://doi.org/10.1111/gcb. 13069
Biskaborn, B. K., Smith, S. L., Noetzli, J., Matthes, H., Vieira, G., Streletskiy, D. A., et al. (2019). Permafrost is warming at a global scale. Nature Communications, 10(1), 1-11. https://doi.org/10.1038/s41467-018-08240-4
Bouskill, N. J., Mekonnen, Z., Zhu, Q., Grant, R., & Riley, W. J. (2022). Microbial contribution to post-fire tundra ecosystem recovery over the 21st century. Communications Earth & Environment, 3(1), 26. https://doi.org/10.1038/s43247-022-00356-2

Burke, E., Chadburn, S., & Huntingford, C. (2022). Thawing permafrost as a nitrogen fertiliser: Implications for climate feedbacks. Nitrogen, 3(2), 353-375. https://doi.org/10.3390/nitrogen3020023
Burke, E. J., Ekici, A., Huang, Y., Chadburn, S. E., Huntingford, C., Ciais, P., et al. (2017). Quantifying uncertainties of permafrost carbonclimate feedbacks. Biogeosciences, 14(12), 3051-3066. https://doi.org/10.5194/bg-14-3051-2017
Butterbach-Bahl, K., & Dannenmann, M. (2011). Denitrification and associated soil

emissions due to agricultural activities in a changing climate. Current Opinion in Environmental Sustainability, 3(5), 389-395. https://doi.org/10.1016/j.cosust.2011.08.004
Chadburn, S., Burke, E., Cox, P., Friedlingstein, P., Hugelius, G., & Westermann, S. (2017). An observation-based constraint on permafrost loss as a function of global warming. Nature Climate Change, 7(5), 340-344. https://doi.org/10.1038/nclimate3262
Chen, Y., Liu, F., Kang, L., Zhang, D., Kou, D., Mao, C., et al. (2021). Large-scale evidence for microbial response and associated carbon release after permafrost thaw. Global Change Biology, 27(14), 3218-3229. https://doi.org/10.1111/gcb. 15487
Ciais, P., Bastos, A., Chevallier, F., Lauerwald, R., Poulter, B., Canadell, P., et al. (2022). Definitions and methods to estimate regional land carbon fluxes for the second phase of the REgional Carbon Cycle Assessment and Processes Project (RECCAP-2). Geoscientific Model Development, 15(3), 1289-1316. https://doi.org/10.5194/gmd-15-1289-2022
Cole, J. J., Prairie, Y. T., Caraco, N. F., McDowell, W. H., Tranvik, L. J., Striegl, R. G., et al. (2007). Plumbing the global carbon cycle: Integrating inland waters into the terrestrial carbon budget. Ecosystems, 10(1), 172-185. https://doi.org/10.1007/s10021-006-9013-8
Denfeld, B. A., Baulch, H. M., del Giorgio, P. A., Hampton, S. E., & Karlsson, J. (2018). A synthesis of carbon dioxide and methane dynamics during the ice-covered period of northern lakes. Limnology and Oceanography Letters, 3(3), 117-131. https://doi.org/10.1002/lol2.10079
D’Imperio, L., Li, B. B., Tiedje, J. M., Oh, Y., Christiansen, J. R., Kepfer-Rojas, S., et al. (2023). Spatial controls of methane uptake in upland soils across climatic and geological regions in Greenland. Communications Earth & Environment, 4.1(1), 461. https://doi.org/10.1038/s43247-023-01143-3
D’Imperio, L., Nielsen, C. S., Westergaard-Nielsen, A., Michelsen, A., & Elberling, B. (2017). Methane oxidation in contrasting soil types: Responses to experimental warming with implication for landscape-integrated CH4 budget. Global Change Biology, 23(2), 966-976. https:// doi.org/10.1111/gcb. 13400
Genet, H., McGuire, A. D., Barrett, K., Breen, A., Euskirchen, E. S., Johnstone, J. F., et al. (2013). Modeling the effects of fire severity and climate warming on active layer thickness and soil carbon storage of black spruce forests across the landscape in interior Alaska. Environmental Research Letters, 8(4), 045016. https://doi.org/10.1088/1748-9326/8/4/045016
Gibson, C. M., Chasmer, L. E., Thompson, D. K., Quinton, W. L., Flannigan, M. D., & Olefeldt, D. (2018). Wildfire as a major driver of recent permafrost thaw in boreal peatlands. Nature Communications, 9(1), 3041. https://doi.org/10.1038/s41467-018-05457-1
Gil, J., Marushchak, M. E., Rütting, T., Baggs, E. M., Pérez, T., Novakovskiy, A., et al. (2022). Sources of nitrous oxide and the fate of mineral nitrogen in subarctic permafrost peat soils. Biogeosciences, 19(10), 2683-2698.
Grosse, G., Harden, J., Turetsky, M., McGuire, A. D., Camill, P., Tarnocai, C., et al. (2011). Vulnerability of high-latitude soil organic carbon in North America to disturbance. Journal of Geophysical Research, 116(G4), G00K06. https://doi.org/10.1029/2010jg001507
Hermesdorf, L., Elberling, B., D’Imperio, L., Xu, W., Lambæk, A., & Ambus, P. L. (2022). Effects of fire on CO2, CH4 and N2O exchange in a well-drained Arctic heath ecosystem. Global Change Biology.
Holgerson, M. A., & Raymond, P. A. (2016). Large contribution to inland water

and

emissions from very small ponds. Nature Geoscience, 9(3), 222-226. https://doi.org/10.1038/ngeo2654
Holloway, J. E., Lewkowicz, A. G., Douglas, T. A., Li, X., Turetsky, M. R., Baltzer, J. L., & Jin, H. (2020). Impact of wildfire on permafrost landscapes: A review of recent advances and future prospects. Permafrost and Periglacial Processes, 31(3), 371-382. https://doi.org/10.1002/ ppp. 2048
Hugelius, G., Ramage, J. L., Burke, E. J., Chatterjee, A., Smallman, T. L., Aalto, T., et al. (2023). Two decades of permafrost region CO2, CH4, and N2O budgets suggest a small net greenhouse gas source to the atmosphere. ESS Open Archive. https://doi.org/10.22541/essoar.169444320. 01914726/v1
Hugelius, G., Strauss, J., Zubrzycki, S., Harden, J. W., Schuur, E. A., Ping, C. L., et al. (2014). Estimated stocks of circumpolar permafrost carbon with quantified uncertainty ranges and identified data gaps. Biogeosciences, 11(23), 6573-6593. https://doi.org/10.5194/bg-11-6573-2014
Humborg, C., Mörth, C. M., Sundbom, M., Borg, H., Blenckner, T., Giesler, R., & Ittekkot, V. (2010). CO2 supersaturation along the aquatic conduit in Swedish watersheds as constrained by terrestrial respiration, aquatic respiration and weathering. Global Change Biology, 16(7), 1966-1978. https://doi.org/10.1111/j.1365-2486.2009.02092.x
Jafarov, E. E., Romanovsky, V. E., Genet, H., McGuire, A. D., & Marchenko, S. S. (2013). The effects of fire on the thermal stability of permafrost in lowland and upland black spruce forests of interior Alaska in a changing climate. Environmental Research Letters, 8(3), 035030. https://doi. org/10.1088/1748-9326/8/3/035030
Juncher Jørgensen, C., Lund Johansen, K. M., Westergaard-Nielsen, A., & Elberling, B. (2015). Net regional methane sink in High Arctic soils of northeast Greenland. Nature Geoscience, 8(1), 20-23. https://doi.org/10.1038/ngeo2305
Karlsson, J., Giesler, R., Persson, J., & Lundin, E. (2013). High emission of carbon dioxide and methane during ice thaw in high latitude lakes. Geophysical Research Letters, 40(6), 1123-1127. https://doi.org/10.1002/grl.50152
Kim, Y., & Tanaka, N. (2003). Effect of forest fire on the fluxes of CO2, CH4, and N2O in boreal forest soils, interior Alaska. Journal of Geophysical Research, 108(D1), 8154. https://doi.org/10.1029/2001JD000663
Kortelainen, P., Larmola, T., Rantakari, M., Juutinen, S., Alm, J., & Martikainen, P. J. (2020). Lakes as nitrous oxide sources in the boreal landscape. Global Change Biology, 26(3), 1432-1445. https://doi.org/10.1111/gcb. 14928
Kortelainen, P., Rantakari, M., Huttunen, J. T., Mattsson, T., Alm, J., Juutinen, S., et al. (2006). Sediment respiration and lake trophic state are important predictors of large

evasion from small boreal lakes. Global Change Biology, 12(8), 1554-1567. https://doi.org/10.1111/j.13652486.2006.01167.x

Köster, E., Köster, K., Berninger, F., Prokushkin, A., Aaltonen, H., Zhou, X., & Pumpanen, J. (2018). Changes in fluxes of carbon dioxide and methane caused by fire in Siberian boreal forest with continuous permafrost. Journal of Environmental Management, 228, 405-415. https://doi. org/10.1016/j.jenvman.2018.09.051
Köster, K., Köster, E., Berninger, F., Heinonsalo, J., & Pumpanen, J. (2018). Contrasting effects of reindeer grazing on CO2, CH4, and N2O fluxes originating from the northern boreal forest floor. Land Degradation & Development, 29(2), 374-381. https://doi.org/10.1002/ldr. 2868
Koven, C. D., Schuur, E. A. G., Schädel, C., Bohn, T. J., Burke, E. J., Chen, G., et al. (2015). A simplified, data-constrained approach to estimate the permafrost carbon-climate feedback. Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical & Engineering Sciences, 373(2054), 20140423. https://doi.org/10.1098/rsta. 2014.0423
Kuhn, M. A., Thompson, L. M., Winder, J. C., Braga, L. P., Tanentzap, A. J., Bastviken, D., & Olefeldt, D. (2021c). Opposing effects of climate and permafrost thaw on CH4 and CO2 emissions from northern lakes. AGU Advances, 2(4), e2021AV000515. https://doi.org/10.1029/ 2021av000515

Kuhn, M. A., Thompson, L. M., Winder, J. C., Braga, L. P. P., Tanentzap, A. J., Bastviken, D., & Olefeldt, D. (2021). b. Opposing effects of climate and permafrost thaw on CH4 and CO2 emissions from northern lakes. AGU Advances, 2(4), e2021AV000515. https://doi.org/10.1029/ 2021AV000515
Kuhn, M. A., Varner, R. K., Bastviken, D., Crill, P., MacIntyre, S., Turetsky, M., et al. (2021a). BAWLD-CH4: A comprehensive dataset of methane fluxes from boreal and arctic ecosystems. Earth System Science Data Discussions, 13(11), 1-56. https://doi.org/10.5194/essd-13-5151-2021
Lacroix, F., Zaehle, S., Caldararu, S., Schaller, J., Stimmler, P., Holl, D., et al. (2022). Mismatch of N release from the permafrost and vegetative uptake opens pathways of increasing nitrous oxide emissions in the high Arctic. Global Change Biology, 28(20), 5973-5990. https://doi.org/10. 1111/gcb. 16345
Lantuit, H., Overduin, P. P., Couture, N., Wetterich, S., Aré, F., Atkinson, D., et al. (2012). The Arctic Coastal Dynamics database: A new classification scheme and statistics on Arctic permafrost coastlines. Estuaries and Coasts, 35(2), 383-400. https://doi.org/10.1007/s12237-010-9362-6
Lauerwald, R., Regnier, P., Figueiredo, V., Enrich-Prast, A., Bastviken, D., Lehner, B., et al. (2019). Natural lakes are a minor global source of N2O to the atmosphere. Global Biogeochemical Cycles, 33(12), 1564-1581. https://doi.org/10.1029/2019GB006261
Lee, J., Oh, Y., Lee, S. T., Seo, Y. O., Yun, J., Yang, Y., et al. (2023). Soil organic carbon is a key determinant of

sink in global forest soils. Nature Communications, 14(1), 3110. https://doi.org/10.1038/s41467-023-38905-8
Li, G., Zhang, M., Pei, W., Melnikov, A., Khristoforov, I., Li, R., & Yu, F. (2022). Changes in permafrost extent and active layer thickness in the Northern Hemisphere from 1969 to 2018. Science of the Total Environment, 804, 150182. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2021.150182
Liu, S. (2021). Monthly pCO2, gas transfer velocity and CO2 efflux rate in global streams and rivers (the GRADES river networks) [Dataset]. Dryad. https://doi.org/10.5061/dryad.d7wm37pz9
Liu, S., Kuhn, C., Amatulli, G., Aho, K., Butman, D. E., Allen, G. H., et al. (2022). The importance of hydrology in routing terrestrial carbon to the atmosphere via global streams and rivers. Proceedings of the National Academy of Sciences, 119(11), e2106322119. https://doi.org/10.1073/ pnas. 2106322119
Liu, Z., Kimball, J. S., Ballantyne, A. P., Parazoo, N. C., Wang, W. J., Bastos, A., et al. (2022). Respiratory loss during late-growing season determines the net carbon dioxide sink in northern permafrost regions. Nature Communications, 13(1), 1-13. https://doi.org/10.1038/s41467-022-33293-x
López-Blanco, E., Langen, P. L., Williams, M., Christensen, J. H., Boberg, F., Langley, K., & Christensen, T. R. (2022). The future of tundra carbon storage in Greenland – Sensitivity to climate and plant trait changes. Science of the Total Environment, 157385. https://doi.org/10.1016/ j.scitotenv. 2022

Maavara, T., Lauerwald, R., Laruelle, G., Akbarzadeh, Z., Bouskill, N., Van Cappellen, P., & Regnier, P. (2019). Nitrous oxide emissions from inland waters: Are IPCC estimates too high? Global Change Biology, 25(2), 473-488. https://doi.org/10.1111/gcb. 14504
Mack, M. C., Walker, X. J., Johnstone, J. F., Alexander, H. D., Melvin, A. M., Jean, M., & Miller, S. N. (2021). Carbon loss from boreal forest wildfires offset by increased dominance of deciduous trees. Science, 372(6539), 280-283. https://doi.org/10.1126/science.abf3903
Marushchak, M. E., Kerttula, J., Diáková, K., Faguet, A., Gil, J., Grosse, G., et al. (2021). Thawing Yedoma permafrost is a neglected nitrous oxide source. Nature Communications, 12(1), 7107. https://doi.org/10.1038/s41467-021-27386-2
Marushchak, M. E., Pitkämäki, A., Koponen, H., Biasi, C., Seppälä, M., & Martikainen, P. J. (2011). Hot spots for nitrous oxide emissions found in different types of permafrost peatlands. Global Change Biology, 17(8), 2601-2614. https://doi.org/10.1111/j.1365-2486.2011.02442.x
Matson, A., Pennock, D., & Bedard-Haughn, A. (2009). Methane and nitrous oxide emissions from mature forest stands in the boreal forest, Saskatchewan, Canada. Forest Ecology and Management, 258(7), 1073-1083. https://doi.org/10.1016/j.foreco.2009.05.034
Matthews, E., Johnson, M. S., Genovese, V., Du, J., & Bastviken, D. (2020). Methane emission from high latitude lakes: Methane-centric lake classification and satellite-driven annual cycle of emissions. Scientific Reports, 10(1), 1-9. https://doi.org/10.1038/s41598-020-68246-1
McGuire, A. D., Christensen, T. R., Hayes, D., Heroult, A., Euskirchen, E., Kimball, J. S., et al. (2012). An assessment of the carbon balance of Arctic tundra: Comparisons among observations, process models, and atmospheric inversions. Biogeosciences, 9(8), 3185-3204. https://doi. org/10.5194/bg-9-3185-2012
McGuire, A. D., Lawrence, D. M., Koven, C., Clein, J. S., Burke, E., Chen, G., et al. (2018). Dependence of the evolution of carbon dynamics in the northern permafrost region on the trajectory of climate change. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 115(15), 3882-3887. https://doi.org/10.1073/pnas. 1719903115
Mishra, U., Hugelius, G., Shelef, E., Yang, Y., Strauss, J., Lupachev, A., et al. (2021). Spatial heterogeneity and environmental predictors of permafrost region soil organic carbon stocks. Science Advances, 7(9), eaaz5236. https://doi.org/10.1126/sciadv.aaz5236
Morishita, T., Hatano, R., & Desyatkin, R. V. (2007). N2O flux in Alas ecosystems formed by forest disturbance near Yakutsk, Eastern Siberia, Russia. Eurasian Journal of Forest Research, 10(1), 79-84.
Mörner, N.-A., & Etiope, G. (2002). Carbon degassing from the lithosphere, Global Planet. Change, 33(1-2), 185-203. https://doi.org/10.1016/ s0921-8181(02)00070-x
Muster, S., Riley, W. J., Roth, K., Langer, M., Cresto Aleina, F., Koven, C. D., et al. (2019). Size distributions of Arctic waterbodies reveal consistent relations in their statistical moments in space and time. Frontiers in Earth Science, 7, 5. https://doi.org/10.3389/feart.2019.00005
Natali, S. M., Watts, J. D., Rogers, B. M., Potter, S., Ludwig, S. M., Selbmann, A. K., et al. (2019). Large loss of CO2 in winter observed across the northern permafrost region. Nature Climate Change, 9(11), 852-857. https://doi.org/10.1038/s41558-019-0592-8
Obu, J., Westermann, S., Barboux, C., Bartsch, A., Delaloye, R., Grosse, G., et al. (2021). ESA permafrost climate change initiative (Permafrost_cci): Permafrost extent for the Northern Hemisphere, v3.0. NERC EDS Centre for Environmental Data Analysis. https://doi.org/10.5285/ 6e2091cb0c8b4106921b63cd5357c97c
Oh, Y., Zhuang, Q., Liu, L., Welp, L. R., Lau, M. C. Y., Onstott, T. C., et al. (2020). Reduced net methane emissions due to microbial methane oxidation in a warmer Arctic. Nature Climate Change, 10.4(4), 317-321. https://doi.org/10.1038/s41558-020-0734-z
Olefeldt, D., Hovemyr, M., Kuhn, M. A., Bastviken, D., Bohn, T. J., Connolly, J., et al. (2021). The boreal-Arctic wetland and lake dataset (BAWLD). Earth System Science Data, 13(11), 5127-5149. https://doi.org/10.5194/essd-13-5127-2021
Pallandt, M. M., Kumar, J., Mauritz, M., Schuur, E. A., Virkkala, A. M., Celis, G., et al. (2022). Representativeness assessment of the pan-Arctic eddy covariance site network and optimized future enhancements. Biogeosciences, 19(3), 559-583. https://doi.org/10.5194/bg-19-559-2022
Palmtag, J., Obu, J., Kuhry, P., Richter, A., Siewert, M. B., Weiss, N., et al. (2022). A high-spatial resolution soil carbon and nitrogen dataset for the northern permafrost region, based on circumpolar land cover upscaling. Earth System Science Data Discussions, 14(9), 1-28. https://doi. org/10.5194/essd-14-4095-2022
Pelletier, L., Strachan, I. B., Garneau, M., & Roulet, N. T. (2014). Carbon release from boreal peatland open water pools: Implication for the contemporary C exchange. Journal of Geophysical Research: Biogeosciences, 119(3), 207-222. https://doi.org/10.1002/2013jg002423

Peltola, O., Vesala, T., Gao, Y., Räty, O., Alekseychik, P., Aurela, M., et al. (2019). Monthly gridded data product of northern wetland methane emissions based on upscaling eddy covariance observations. Earth System Science Data, 11(3), 1263-1289. https://doi.org/10.5194/essd-11-1263-2019
Potter, S., Cooperdock, S., Veraverbeke, S., Walker, X., Mack, M. C., Goetz, S. J., et al. (2022). Burned area and carbon emissions across northwestern boreal north America from 2001-2019. EGUsphere. https://doi.org/10.5194/egusphere-2022-364
Randerson, J. T., Liu, H., Flanner, M. G., Chambers, S. D., Jin, Y., Hess, P. G., et al. (2006). The impact of boreal forest fire on climate warming. Science, 314(5802), 1130-1132. https://doi.org/10.1126/science. 1132075
Rantanen, M., Karpechko, A. Y., Lipponen, A., Nordling, K., Hyvärinen, O., Ruosteenoja, K., et al. (2022). The Arctic has warmed nearly four times faster than the globe since 1979. Communications Earth & Environment, 3(1), 168. https://doi.org/10.1038/s43247-022-00498-3
Rasilo, T., Prairie, Y. T., & Del Giorgio, P. A. (2015). Large-scale patterns in summer diffusive CH 4 fluxes across boreal lakes, and contribution to diffusive C emissions. Global Change Biology, 21(3), 1124-1139. https://doi.org/10.1111/gcb. 12741
Repo, M. E., Susiluoto, S., Lind, S. E., Jokinen, S., Elsakov, V., Biasi, C., et al. (2009). Large

emissions from cryoturbated peat soil in tundra. Nature Geoscience, 2(3), 189-192. https://doi.org/10.1038/ngeo434
Rocher-Ros, G., Giesler, R., Lundin, E., Salimi, S., Jonsson, A., & Karlsson, J. (2017). Large lakes dominate CO2 evasion from lakes in an Arctic catchment. Geophysical Research Letters, 44(24), 12-254. https://doi.org/10.1002/2017g1076146
Runge, A., Nitze, I., & Grosse, G. (2022). Remote sensing annual dynamics of rapid permafrost thaw disturbances with LandTrendr. Remote Sensing of Environment, 268, 112752. https://doi.org/10.1016/j.rse.2021.112752
Saunois, M., Stavert, A. R., Poulter, B., Bousquet, P., Canadell, J. G., Jackson, R. B., et al. (2019). The global methane budget 2000-2017. Earth System Science Data Discussions, 1-136.
Schiller, C. L., & Hastie, D. R. (1996). Nitrous oxide and methane fluxes from perturbed and unperturbed boreal forest sites in northern Ontario. Journal of Geophysical Research, 101(D17), 22767-22774. https://doi.org/10.1029/96JD01620
Schulze, C., Sonnentag, O., Voigt, C., Thompson, L., van Delden, L., Heffernan, L., et al. (2023). Nitrous oxide fluxes in permafrost peatlands remain negligible after wildfire and thermokarst disturbance. Journal of Geophysical Research: Biogeosciences, 128(4), e2022JG007322. https://doi.org/10.1029/2022JG007322
Schuur, E. A. G., Abbott, B., Commane, R., Ernakovich, J., Euskirchen, E., Hugelius, G., et al. (2022). Permafrost and climate change: Carbon cycle feedbacks from a warming Arctic. Annual Review of Environment and Resources, 47, 28.1-28.29. https://doi.org/10.1146/annurev-environ-012220-011847
Schuur, E. A. G., Abbott, B. W., Bowden, W. B., Brovkin, V., Camill, P., Canadell, J. P., et al. (2011). High risk of permafrost thaw. Nature, 480(7375), 32-33. https://doi.org/10.1038/480032a
Schuur, E. A. G., Bockheim, J., Canadell, J., Euskirchen, E., Field, C. B., Goryachkin, S. V., et al. (2008). Vulnerability of permafrost carbon to climate change: Implications for the global carbon cycle. BioScience, 58(8), 701-714. https://doi.org/10.1641/b580807
Schuur, E. A. G., & Mack, M. C. (2018). Ecological response to permafrost thaw and consequences for local and global ecosystem services. Annual Review of Ecology, Evolution and Systematics, 49(1), 279-301. https://doi.org/10.1146/annurev-ecolsys-121415-032349
Schuur, E. A. G., McGuire, A. D., Grosse, G., Harden, J. W., Hayes, D. J., Hugelius, G., et al. (2015). Climate change and the permafrost carbon feedback. Nature, 520(7546), 171-179. https://doi.org/10.1038/nature14338
Schuur, E. A. G., Vogel, J. G., Crummer, K. G., Lee, H., Sickman, J. O., & Osterkamp, T. E. (2009). The effect of permafrost thaw on old carbon release and net carbon exchange from tundra. Nature, 459(7246), 556-559. https://doi.org/10.1038/nature08031
Sepulveda-Jauregui, A., Walter Anthony, K. M., Martinez-Cruz, K., Greene, S., & Thalasso, F. (2015). Methane and carbon dioxide emissions from 40 lakes along a north-south latitudinal transect in Alaska. Biogeosciences, 12(11), 3197-3223. https://doi.org/10.5194/bg-12-3197-2015
Serikova, S., Pokrovsky, O. S., Ala-Aho, P., Kazantsev, V., Kirpotin, S. N., Kopysov, S. G., et al. (2018). High riverine CO2 emissions at the permafrost boundary of Western Siberia. Nature Geoscience, 11, 825-829. https://doi.org/10.1038/s41561-018-0218-1
Simpson, I. J., Edwards, G. C., Thurtell, G. W., den Hartog, G., Neumann, H. H., & Staebler, R. M. (1997). Micrometeorological measurements of methane and nitrous oxide exchange above a boreal aspen forest. Journal of Geophysical Research, 102(D24), 29331-29341. https://doi.org/ 10.1029/97JD03181

Speetjens, N. J., Hugelius, G., Gumbricht, T., Lantuit, H., Berghuijs, W. R., Pika, P. A., et al. (2023). The pan-Arctic catchment database (ARCADE). Earth System Science Data, 15(2), 541-554. https://doi.org/10.5194/essd-15-541-2023
Stanley, E. H., Casson, N. J., Christel, S. T., Crawford, J. T., Loken, L. C., & Oliver, S. K. (2016). The ecology of methane in streams and rivers: Patterns, controls, and global significance. Ecological Monographs, 86(2), 146-171. https://doi.org/10.1890/15-1027
Tarnocai, C., Canadell, J. G., Schuur, E. A., Kuhry, P., Mazhitova, G., & Zimov, S. (2009). Soil organic carbon pools in the northern circumpolar permafrost region. Global Biogeochemical Cycles, 23(2). https://doi.org/10.1029/2008gb003327
Terhaar, J., Lauerwald, R., Regnier, P., Gruber, N., & Bopp, L. (2021). Around one third of current Arctic Ocean primary production sustained by rivers and coastal erosion. Nature Communications, 12(1), 169. https://doi.org/10.1038/s41467-020-20470-z
Thornton, B. F., Wik, M., & Crill, P. M. (2016). Double-counting challenges the accuracy of high-latitude methane inventories. Geophysical Research Letters, 43(24), 12569-12577. https://doi.org/10.1002/2016GL071772
Treat, C. C., Bloom, A. A., & Marushchak, M. E. (2018). Nongrowing season methane emissions – A significant component of annual emissions across northern ecosystems. Global Change Biology, 24(8), 3331-3343. https://doi.org/10.1111/gcb. 14137
Turetsky, M. R., Abbott, B. W., Jones, M. C., Anthony, K. W., Olefeldt, D., Schuur, E. A. G., et al. (2020). Carbon release through abrupt permafrost thaw. Nature Geoscience, 13(2), 138-143. https://doi.org/10.1038/s41561-019-0526-0
Ueyama, M., Iwata, H., Nagano, H., Tahara, N., Iwama, C., & Harazono, Y. (2019). Carbon dioxide balance in early-successional forests after forest fires in interior Alaska. Agricultural and Forest Meteorology, 275, 196-207. https://doi.org/10.1016/j.agrformet.2019.05.020
Ullah, S., Frasier, R., Pelletier, L., & Moore, T. R. (2009). Greenhouse gas fluxes from boreal forest soils during the snow-free period in Quebec, Canada. Canadian Journal of Forest Research, 39(3), 666-680. https://doi.org/10.1139/x08-209
van der Werf, G. R., Randerson, J. T., Giglio, L., van Leeuwen, T. T., Chen, Y., Rogers, B. M., et al. (2017). Global fire emissions estimates during 1997-2016. Earth System Science Data, 9(2), 697-720. https://doi.org/10.5194/essd-9-697-2017
van Wees, D., van der Werf, G. R., Randerson, J. T., Rogers, B. M., Chen, Y., Veraverbeke, S., et al. (2022). Global biomass burning fuel consumption and emissions at 500 m spatial resolution based on the Global Fire Emissions Database (GFED). Geoscientific Model Development, 15(22), 8411-8437. https://doi.org/10.5194/gmd-15-8411-2022
Veraverbeke, S., Delcourt, C. J., Kukavskaya, E., Mack, M., Walker, X., Hessilt, T., et al. (2021). Direct and longer-term carbon emissions from arctic-boreal fires: A short review of recent advances. Current Opinion in Environmental Science & Health, 23, 100277. https://doi.org/10. 1016/j.coesh.2021.100277

Virkkala, A.-M., Aalto, J., Rogers, B. M., Tagesson, T., Treat, C. C., Natali, S. M., et al. (2021). Statistical upscaling of ecosystem CO2 fluxes across the terrestrial tundra and boreal domain: Regional patterns and uncertainties. Global Change Biology, 27(17), 4040-4059. https://doi. org/10.1111/gcb. 15659
Virkkala, A.-M., Natali, S. M., Rogers, B. M., Watts, J. D., Savage, K., Connon, S. J., et al. (2022). The ABCflux database: Arctic-boreal CO2 flux observations and ancillary information aggregated to monthly time steps across terrestrial ecosystems. Earth System Science Data, 14(1), 179-208. https://doi.org/10.5194/essd-14-179-2022
Virkkala, A.-M., Virtanen, T., Lehtonen, A., Rinne, J., & Luoto, M. (2018). The current state of CO2 flux chamber studies in the Arctic tundra: A review. Progress in Physical Geography: Earth and Environment, 42(2), 162-184. https://doi.org/10.1177/0309133317745784
Voigt, C., Marushchak, M. E., Abbott, B. W., Biasi, C., Elberling, B., Siciliano, S. D., et al. (2020a). Nitrous oxide emissions from permafrostaffected soils. Nature Reviews Earth & Environment, 1(8), 420-434. https://doi.org/10.1038/s43017-020-0063-9
Voigt, C., Marushchak, M. E., Lamprecht, R. E., Jackowicz-Korczyński, M., Lindgren, A., Mastepanov, M., et al. (2017). Increased nitrous oxide emissions from Arctic peatlands after permafrost thaw. Proceedings of the National Academy of Sciences, 114(24), 6238-6243. https://doi.org/ 10.1073/pnas. 1702902114

Voigt, C., van Delden, L., Marushchak, M. E., Biasi, C., Abbott, B. W., Elberling, B., et al. (2020b). Nitrous oxide fluxes from permafrost regions. PANGAEA. https://doi.org/10.1594/PANGAEA. 919217
Voigt, C., Virkkala, A. M., Hould Gosselin, G., Bennett, K. A., Black, T. A., Detto, M., et al. (2023). Arctic soil methane sink increases with drier conditions and higher ecosystem respiration. Nature Climate Change, 13.10(10), 1095-1104. https://doi.org/10.1038/s41558-023-01785-3
Walker, X. J., Baltzer, J. L., Cumming, S. G., Day, N. J., Ebert, C., Goetz, S., et al. (2019). Increasing wildfires threaten historic carbon sink of boreal forest soils. Nature, 572(7770), 520-523. https://doi.org/10.1038/s41586-019-1474-y
Walter Anthony, K. M., Anthony, P., Grosse, G., & Chanton, J. (2012). Geologic methane seeps along boundaries of Arctic permafrost thaw and melting glaciers. Nature Geoscience, 5(6), 419-426. https://doi.org/10.1038/ngeo1480
Watts, J. D., Farina, M., Kimball, J. S., Schiferl, L. D., Liu, Z., Arndt, K. A., et al. (2023). Carbon uptake in Eurasian boreal forests dominates the high-latitude net ecosystem carbon budget. Global Change Biology, 29(7), 1870-1889. https://doi.org/10.1111/gcb. 16553
Whalen, S. C., Reeburgh, W. S., & Barber, V. A. (1992). Oxidation of methane in boreal forest soils – A comparison of 7 measures. Biogeochemistry, 16(3), 181-211. https://doi.org/10.1007/bf00002818
Wik, M., Varner, R. K., Anthony, K. W., MacIntyre, S., & Bastviken, D. (2016). Climate-sensitive northern lakes and ponds are critical components of methane release. Nature Geoscience, 9(2), 99-105. https://doi.org/10.1038/ngeo2578
Wilkerson, J., Dobosy, R., Sayres, D. S., Healy, C., Dumas, E., Baker, B., & Anderson, J. G. (2019). Permafrost nitrous oxide emissions observed on a landscape scale using the airborne eddy-covariance method. Atmospheric Chemistry and Physics, 19(7), 4257-4268. https://doi.org/10. 5194/acp-19-4257-2019
Yang, G., Peng, Y., Marushchak, M. E., Chen, Y., Wang, G., Li, F., et al. (2018). Magnitude and pathways of increased nitrous oxide emissions from uplands following permafrost thaw. Environmental Science & Technology, 52(16), 9162-9169. https://doi.org/10.1021/acs.est.8b02271
Yuan, Y., Zhuang, Q., Zhao, B., & Shurpali, N. (2023). Nitrous oxide emissions from pan-Arctic terrestrial ecosystems: A process-based biogeochemistry model analysis from 1969 to 2019. EGUsphere. [preprint]. https://doi.org/10.5194/egusphere-2023-1047

Journal: Global Biogeochemical Cycles, Volume: 38, Issue: 4
DOI: https://doi.org/10.1029/2023gb007953
Publication Date: 2024-04-01

RESEARCH ARTICLE
10.1029/2023GB007953

Special Section:
RECCAP2

Key Points:

The region emitted , and to the atmosphere between 2000 and 2020
Based on the above, terrestrial ecosystems remained a sink, but emissions from fires and inland waters largely offset the sink in vegetated ecosystems
When also including lateral fluxes, the complete C and N budgets of the permafrost region result in net sources of 144 (-506, 826; including and and

Supporting Information:

Supporting Information may be found in the online version of this article.

Correspondence to:

J. Ramage,
justine.ramage@natgeo.su.se

Citation:

Ramage, J., Kuhn, M., Virkkala, A.-M., Voigt, C., Marushchak, M. E., Bastos, A., et al. (2024). The net GHG balance and budget of the permafrost region (20002020) from ecosystem flux upscaling. Global Biogeochemical Cycles, 38, e2023GB007953. https://doi.org/10.1029/ 2023GB007953

Received 11 SEP 2023
Accepted 29 FEB 2024

Author Contributions:

Conceptualization: McKenzie Kuhn, Anna-Maria Virkkala, Carolina Voigt, Maija E. Marushchak, Christina Biasi, Josep G. Canadell, Philippe Ciais, David Olefeldt, Benjamin Poulter, Brendan M. Rogers, Gustaf Hugelius Data curation: McKenzie Kuhn, AnnaMaria Virkkala, Stefano Potter, Brendan M. Rogers, Gustaf Hugelius

© 2024. The Authors.

This is an open access article under the terms of the Creative Commons Attribution License, which permits use, distribution and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

The Net GHG Balance and Budget of the Permafrost Region (2000-2020) From Ecosystem Flux Upscaling

Justine Ramage (D), McKenzie Kuhn (D), Anna-Maria Virkkala , Carolina Voigt , Maija E. Marushchak (D), Ana Bastos (D, Christina Biasi (D), Josep G. Canadell (D), Philippe Ciais (B), Efrèn López-Blanco ®, Susan M. Natali , David Olefeldt , Stefano Potter (D), Benjamin Poulter (D), Brendan M. Rogers (D), Edward A. G. Schuur (D), Claire Treat (D), Merritt R. Turetsky , Jennifer Watts (D) , and Gustaf Hugelius (D) Department of Physical Geography, Stockholm University, Stockholm, Sweden, Bolin Centre for Climate Research, Stockholm University, Stockholm, Sweden, Department of Earth Sciences, University of New Hampshire, Durham, NH, USA, Woodwell Climate Research Center, Falmouth, MA, USA, Universität Hamburg, Institute of Soil Science, Hamburg, Germany, Department of Environmental and Biological Sciences, University of Eastern Finland, Yliopistonranta 1 E, Kuopio, Finland, Department of Biogeochemical Integration, Max Planck Institute for Biogeochemistry, Jena, Germany, Department of Ecology, University of Innsbruck, Innsbruck, Austria, Global Carbon Project, CSIRO Environment, Canberra, ACT, Australia, Laboratoire des Sciences du Climat et de l’Environnement, LSCE-IPSL (CEA-CNRS-UVSQ), Université Paris-Saclay, Gif-sur-Yvette, France, Department of Ecoscience, Arctic Research Center, Aarhus University, Roskilde, Denmark, Department of Renewable Resources, University of Alberta, Edmonton, AB, Canada, NASA GSFC, Biospheric Sciences Laboratory, Greenbelt, MD, USA, Center for Ecosystem Science and Society, and Department of Biological Sciences, Northern Arizona University, Flagstaff, AZ, USA, Alfred Wegener Institute Helmholtz Center for Polar and Marine Research, Potsdam, Germany, Renewable and Sustainable Energy Institute, and Department of Ecology and Evolutionary Biology, University of Colorado, Boulder, CO, USA

Abstract

The northern permafrost region has been projected to shift from a net sink to a net source of carbon under global warming. However, estimates of the contemporary net greenhouse gas (GHG) balance and budgets of the permafrost region remain highly uncertain. Here, we construct the first comprehensive bottom-up budgets of , and across the terrestrial permafrost region using databases of more than 1000 in situ flux measurements and a land cover-based ecosystem flux upscaling approach for the period 2000-2020. Estimates indicate that the permafrost region emitted a mean annual flux of , and to the atmosphere throughout the period. Thus, the region was a net source of and , while the balance was near neutral within its large uncertainties. Undisturbed terrestrial ecosystems had a sink of . Vertical emissions from fire disturbances and inland waters largely offset the sink in vegetated ecosystems. When including lateral fluxes for a complete GHG budget, the permafrost region was a net source of C and N , releasing , 826) and . Large uncertainty ranges in these estimates point to a need for further expansion of monitoring networks, continued data synthesis efforts, and better integration of field observations, remote sensing data, and ecosystem models to constrain the contemporary net GHG budgets of the permafrost region and track their future trajectory.

Plain Language Summary A quarter of the northern hemisphere is underlain by a permanently frozen ground called permafrost. This ground contains large amounts of carbon and nitrogen, making the permafrost region the largest terrestrial carbon and nitrogen pool on Earth. Due to unprecedented warming, permafrost thaws and reshapes landscapes, impacting their hydrology and biogeochemical cycling. This has the potential to increase the release of greenhouse gases such as carbon dioxide (

), methane (

), and nitrous oxide (

) to the atmosphere, impacting the global climate. Although presumably crucial for the global carbon cycle, the role of the permafrost region in the global carbon budget is unknown. We present comprehensive budgets of

, and

by key permafrost land cover types over the period 2000-2020 across the northern permafrost region. Estimates indicate that the permafrost region was emitting GHGs throughout the period. While the region was a source of methane and nitrous oxide, the carbon dioxide budget was near neutral with large uncertainties. Carbon dioxide emissions from wildfires and inland waters largely offset the sink in vegetated ecosystems. Uncertainties in estimates would be narrowed by increasing the number of in situ flux measurements in various ecosystems, sharpening ecosystem classifications, and integrating fluxes from disturbances. AND SPACE SCIENCES

Global Biogeochemical Cycles

Formal analysis: McKenzie Kuhn, AnnaMaria Virkkala, Carolina Voigt, Maija E. Marushchak, Gustaf Hugelius Funding acquisition: McKenzie Kuhn, Anna-Maria Virkkala, Carolina Voigt, Maija E. Marushchak, Christina Biasi, David Olefeldt, Brendan M. Rogers, Gustaf Hugelius Investigation: McKenzie Kuhn, AnnaMaria Virkkala, Carolina Voigt, Maija E. Marushchak, Gustaf Hugelius Methodology: McKenzie Kuhn, AnnaMaria Virkkala, Carolina Voigt, Maija E. Marushchak, David Olefeldt, Gustaf Hugelius
Project administration: Gustaf Hugelius Resources: McKenzie Kuhn, Carolina Voigt, Maija E. Marushchak, Christina Biasi, David Olefeldt, Stefano Potter, Brendan M. Rogers, Gustaf Hugelius
Supervision: Gustaf Hugelius Validation: McKenzie Kuhn, AnnaMaria Virkkala, Carolina Voigt, Maija E. Marushchak, Gustaf Hugelius Visualization: McKenzie Kuhn, AnnaMaria Virkkala, Carolina Voigt, Maija E. Marushchak

Writing – original draft: McKenzie Kuhn, Anna-Maria Virkkala, Carolina Voigt, Maija E. Marushchak, David Olefeldt
Writing – review & editing: McKenzie Kuhn, Anna-Maria Virkkala, Carolina Voigt, Maija E. Marushchak, Ana Bastos, Christina Biasi, Josep G. Canadell, Philippe Ciais, Efrèn LópezBlanco, Susan M. Natali, David Olefeldt, Stefano Potter, Benjamin Poulter, Brendan M. Rogers, Edward A. G. Schuur, Claire Treat, Merritt R. Turetsky, Jennifer Watts, Gustaf Hugelius

1. Introduction

The northern permafrost region covers up to 21 million

of land in the Northern Hemisphere, of which ca.

( 14 million

) is entirely underlain by permafrost (Obu et al., 2021)-ground that is at or below

for at least two consecutive years. Unprecedented and amplified increases in air temperature in the Arctic (Rantanen et al., 2022) have strong impacts on the permafrost ground temperatures and extent (Biskaborn et al., 2019; Li et al., 2022), with future climate projections indicating a potential loss of permafrost extent of

confidence interval) million

for each

of global temperature change (Chadburn et al., 2017). Consequences are already visible, as ground temperatures near the depth of zero annual amplitude in the continuous permafrost zone increased by

between 2007 and 2016, reducing the permafrost extent by

between 1969 and 2018 (Biskaborn et al., 2019; Li et al., 2022). Changes in ground temperature expose substantial quantities of organic carbon ( C ), resulting in C degradation and atmospheric release of greenhouse gases ( GHGs ) such as carbon dioxide

, methane

, and nitrous oxide

from permafrost into the atmosphere (Chen et al., 2021; Natali et al., 2019; Schuur et al., 2009, 2015; Treat et al., 2018; Voigt et al., 2020a).

This release of GHGs to the atmosphere could have a strong impact on the global carbon cycle as the upper three m of permafrost region soils are estimated to store

of soil organic carbon (Hugelius et al., 2014; Mishra et al., 2021) and 55 Pg of soil nitrogen (N) (Palmtag et al., 2022). Deeper deposits store an additional

, making the permafrost region the largest terrestrial carbon and nitrogen pool on Earth (Schuur et al., 2022). These soil C and N have been accumulating over thousands of years due to limited microbial decomposition at low temperatures and water-logged conditions, leading to long-term accumulation of organic matter and incorporation into permafrost (Tarnocai et al., 2009). Upon thaw-that can occur gradually or abruptly-permafrost landscapes are changing, impacting their hydrology and biogeochemical cycling, creating a potentially significant feedback to the global climate (Schuur et al., 2008, 2015, 2022). The release of GHGs from permafrost has the potential to accelerate global climate warming, known as the “permafrost carbon feedback” (Burke et al., 2017, 2022; Schuur et al., 2015). While longer growing seasons, increased

concentrations, and additional nutrient release from thawing permafrost may lead to increased vegetation productivity and partly offset the release of permafrost GHGs (Koven et al., 2015; Liu, Kuhn, et al., 2022; López-Blanco et al., 2022; McGuire et al., 2018; Schuur & Mack, 2018), other processes such as disturbances cause rapid shifts to landscape structure (Schuur et al., 2008, 2011) and might accelerate the release of GHGs into the atmosphere.

Although presumably crucial for the global carbon cycle, the role of the northern permafrost region in the global carbon budget is unknown. Existing estimates of terrestrial GHG exchange from land cover-based or machine learning-based ecosystem vertical flux upscaling identify the northern permafrost terrestrial ecosystem as a net sink of

, Virkkala et al., 2021) and a net source of

, Voigt et al., 2020a), although large uncertainties remain. The northern permafrost region GHG budgets remain poorly constrained as our understanding of the GHG balance of this region has been hampered by low data availability (both temporal and spatial) and a heterogeneous landscape that is complex to map accurately. Watts et al. (2023) show that in northern high latitude, the Net Ecosystem Carbon Budget is reduced by ca.

when inland waters (e.g., lakes, ponds, streams, and rivers)-known to be significant emitters of

and

(Cole et al., 2007; Serikova et al., 2018; Stanley et al., 2016; Thornton et al., 2016; Wik et al., 2016)-are included, and by ca.

when emissions from inland waters and fires are considered. However, no study has yet included inland waters and disturbances to constrain the GHG budget of the permafrost region and provide an overall net GHG balance.

Here we fill this gap and present comprehensive budgets of

and

by key permafrost land cover types over the period 2000-2020 across the northern permafrost region using a single flux upscaling approach for all three GHGs. We include most relevant ecosystem components, that is, terrestrial ecosystems, inland waters, geological fluxes, lateral fluxes, and fire fluxes. However, we exclude direct anthropogenic emissions from the combustion of fossil fuels and land use change. The total carbon and nitrogen budgets that we provide for the region represent storage change budgets.

This permafrost regional budget is part of the REgional Carbon Cycle Assessment and Processes-2 (RECCAP2) project of the Global Carbon Project that aims to collect and integrate regional GHGs budgets for 12 land regions and 5 ocean basins covering all global lands and oceans (Ciais et al., 2022; https://www.globalcarbonproject.org/ reccap/). Comparisons of GHG budgets using this upscaling flux approach and budgets based on atmospheric inversion models and terrestrial process-based models are discussed in Hugelius et al. (2023).

Figure 1. The BAWLD-RECCAP2 region defined as the northern permafrost extent (data from Obu et al., 2021) restricted to the Boreal Arctic Wetlands and Lakes Data set area (BAWLD, Olefeldt et al., 2021). The Figure overlays the extents of the Boreal Forests and the Tundra on the BAWLD-RECCAP2 region as well as the observation sites used for upscaling GHGs.

2. Materials and Methods

2.1. Study Area

The spatial extent of permafrost defined in this study includes areas within the northern permafrost region as defined in Obu et al. (2021) and restricted to the Boreal Arctic Wetlands and Lakes Data set area that had the key land cover classes for our upscaling (Boreal-Arctic Wetland and Lake Dataset (BAWLD), Olefeldt et al., 2021) (Figure 1). As a consequence, the BAWLD-RECCAP2 permafrost region does not include large areas underlain by permafrost in Central Asia and the Tibetan plateau (shown in Figure S1 in Supporting Information S1). The BAWLD-RECCAP2 permafrost region considered in this study is 18.5 million

. All flux estimates were scaled to the BAWLD-RECCAP2 permafrost region (hereafter permafrost region). The study area overlaps several other RECCAP2 regions (Ciais et al., 2022), and no specific effort to harmonize the budgets presented here with the RECCAP2 budgets of those regions is made in this paper.

2.2. GHG Budgets From Ecosystem Flux Upscaling

Data-driven ecosystem flux upscaling of GHG budgets for a reference time period of 2000-2020 was calculated by summing up flux budgets from terrestrial ecosystems, inland waters, lateral fluxes, fire emissions, and geological fluxes. To calculate the total net regional GHG flux

, we used the following equation:

where

is the annual permafrost region gas flux for the GHG species of interest

is the area of each land cover class

(Figure 2, Table S1), and

is the land cover average GHG flux density for species

(Table S1).
We used existing synthesis databases and upscaled gridded data products published in the past 5 years to estimate annual and growing season mean fluxes per land cover type. All budget numbers are presented as the weight of C

Figure 2. Circumpolar percentage coverage of the five adapted Boreal-Arctic Wetland and Lake Dataset (BAWLD) terrestrial land cover types (Boreal Forests, Non-permafrost Wetlands, Permafrost Bogs, Dry Tundra, and Tundra Wetlands) used for ecosystem-based upscaling of greenhouse gas flux budgets in this study. Note that these maps show the distributions across the full BAWLD domain as presented by Olefeldt et al. (2021), not the more limited extent of the RECCAP2 permafrost BAWLD domain used in this study.

and N (i.e.,

and

) and not as the weight of GHG molecules. Budgets are reported as mean fluxes with uncertainties providing the

confidence intervals (CI) in Tg C or N.

2.3. GHG Fluxes From Terrestrial Land Cover Types

The land cover classification used for the analysis was adapted from the BAWLD set land cover (Olefeldt et al., 2021). The BAWLD land cover classes are distinguished based on moisture regime, nutrient/pH regime, organic-soil depth, hydrodynamics, and the presence or absence of permafrost (Olefeldt et al., 2021). To match the observational GHG flux data sets, we simplified the nine terrestrial land cover classes in BAWLD into five: Boreal Forests, Non-permafrost Wetlands, Dry Tundra, Tundra Wetlands, and Permafrost Bogs (Figure 2). Classes were defined as:

Non-permafrost Wetlands include permafrost free bogs, fens, and marshes with no near-surface permafrost (see Canadian Wetland Classification system).
Boreal Forests are forested ecosystems with non-wetland soils. Coniferous trees are dominant, but the class also includes deciduous trees in warmer climates and/or certain landscape positions. Boreal forest ecosystems may have permafrost or be permafrost free.
Permafrost Bogs are ecosystems with near surface permafrost and thick surface peat layers ( ). This includes palsas, peat plateaus, and the elevated portions of high- and low-center polygonal permafrost bogs. They typically have ombrotrophic conditions that cause nutrient-poor conditions. The vegetation is dominated by lichens, Sphagnum mosses, woody shrubs, and sometimes sparse coniferous forest.
Dry Tundra include treeless ecosystems (both lowland arctic and alpine tundra) dominated by graminoid or shrub vegetation. Dry Tundra ecosystems generally have near-surface permafrost. Dry Tundra is differentiated from Permafrost Bogs by their thinner organic soil ( ), and from Tundra Wetlands by their drained soils (average water table position below soil surface).
Tundra Wetlands are treeless ecosystems with near surface permafrost and saturated to inundated conditions for large parts of the year. Tundra Wetlands can both be mineral ( peat) or have peat ( peat). They are distinguished from Dry Tundra and Permafrost Bogs by being wetter and having more dynamic hydrology. Tundra Wetlands include areas that can be classified as tundra fen wetlands in the Canadian Wetland Classification System.

BAWLD was developed specifically to fit the needs of

upscaling and was dependent on available

flux data for different land cover classes. This choice of land cover classes was made after assessing the type of sites in three flux databases of

, and

used for the upscaling (see description below), ensuring that there was sufficient data for each class and that the merging was the most parsimonious grouping that allowed us to estimate each GHG balance for each class. To match the observational GHGs data sets (see section below), we simplified wetland landcover classes for

and

fluxes based on available flux data, related information on landcover classes, and differences in mechanistic drivers. For example, for

fluxes, wetland classes were originally more coarsely separated into “peatlands” (

of organic layer) and “wetlands” (peatlands other than peatlands). Thus,

Wetland fluxes were applied to the Tundra wetland and Marsh total areas, while

Peatland fluxes were applied to the Bog, Fen, and Permafrost Bog total areas. For

upscaling, we kept the five wetland classes included in the work by Kuhn et al. (2021). Due to a lack of flux data, rocklands and glaciers were not included in the classification. The area of each land cover class

across the permafrost region is shown in Figure 2 and detailed in Table S1.

The land cover mean GHG flux

was obtained for each of the five terrestrial land cover classes after homogenizing and analyzing three comprehensive GHG flux data sets: Virkkala et al. (2022) for

fluxes; Kuhn et al. (2021a) for

fluxes; and Voigt et al. (2020a, 2020b) for

fluxes. Additional data were extracted from the literature for Boreal Forest

fluxes (Kim & Tanaka, 2003; Köster, Köster, Berninger, Heinonsalo, & Pumpanen, 2018; Matson et al., 2009; Morishita et al., 2007; Schiller & Hastie, 1996; Simpson et al., 1997; Ullah et al., 2009) since the

flux data set from Voigt et al. (2020b) does not cover Boreal Forest ecosystems. These data sets comprise roughly 1,000 in situ growing-season and annual observations (including multiple observations from some sites) of terrestrial fluxes obtained from more than 200 sites using chamber (for

, and

), diffusion (for

and

), and eddy covariance (for

and

) methods. The growing season length was defined as June to August (90 days) for the tundra and permafrost bogs sites, and May to September (150 days) for the boreal forests and non-permafrost wetlands. The

data set comprises year-round measurements of net ecosystem exchange (NEE), which we used to calculate the growing season and annual NEE. Average fluxes were calculated based on 93 sites and 403 observations for growing season NEE and 54 sites and 222 observations for annual NEE. The

and

data sets provide growing-season measurements based on 98 sites and 458 observations of

exchange and 47 sites and 91 observations of

exchange. For sites with incomplete growing season measurements, we multiplied average daily fluxes by the length of the growing season. Annual

fluxes were estimated assuming that growing season emissions accounted for

of annual emissions (Treat et al., 2018), except for boreal forests were we assumed growing season emissions accounted for

of annual emissions as the sites averaged net

growing season uptake and available data for winter season fractions only covers

-emitting ecosystems (Treat et al., 2018). Therefore, our Boreal Forest annual estimate should be considered conservative. Annual

fluxes were estimated assuming that growing season emissions accounted for

of annual emissions as reported in Voigt et al. (2020a). For all three GHGs, only sites with no record of large-scale upland hillslope abrupt thaw disturbance in the metadata were included in the flux estimates to avoid double-counting emissions from upland hillslope abrupt thaw (see methodology for disturbances). However, although scarce, we included other disturbed sites in our

estimates to account for ecosystem

losses following disturbances and their different successional stages (e.g., four sites reporting thermokarst; Virkkala et al., 2022). Sites from the above-mentioned GHG flux data sets were classified into one of the five terrestrial land cover classes using the metadata provided in each of the data sets.

While the focus of this study is the period 2000-2020, we include all in situ measurements obtained between 1991 and 2020 in order to overcome the limited amount of flux measurements in some of the ecosystems and therefore ensure adequate spatial representation of ecosystem fluxes. A separate analysis of decadal

fluxes from 1991 to 2020 revealed no differences, suggesting that the extension of the time series to 1991 does not impact our findings (Table S3).

More details on how ecosystem flux upscaling was performed (Text S1 in Supporting Information S1) as well as the temporal coverage of these data sets can be found in supplementary material (Figure S2 in Supporting Information S1, Table S2).

2.4. Vertical GHG Fluxes From Inland Waters

Similar to the method used to calculate GHG emissions from terrestrial land cover types, GHG fluxes from inland waters were calculated by upscaling mean GHG fluxes from lakes and rivers (see below) using the estimated surface area of these aquatic classes from the BAWLD classification (Olefeldt et al., 2021) adjusted to the study region (see supplementary Table S1 for estimated aerial extent of inland waters).

2.4.1. Vertical GHG Fluxes From Rivers

Atmospheric riverine GHG fluxes were calculated in different ways for each GHG, depending on available source data, and when possible scaled across the region using riverine area from the permafrost region (

), as reported in BAWLD.

Estimates of river and stream

flux were calculated from gridded monthly flux data estimated by Liu (2021; https://doi.org/10.5061/dryad.d7wm37pz9; Dryad) from river water dissolved

pressure and gas transfer velocity. This data is delivered as unprojected global grids with a

resolution (which is ca

pixels in the high Arctic). The global grids were clipped to the extent of BAWLD and then reprojected to an equal area grid at

resolution. Vertical riverine fluxes were scaled across the riverine area in the domain BAWLD (

). Ice-free season river

emissions were calculated based on the mean-annual flux reported for the Arctic region by Liu, Kimball, et al. (2022). The river

flux reported by Liu, Kimball, et al. (2022) of

incorporates the number of ice-free days; therefore, we scaled across the domain by multiplying the flux by the riverine area. To estimate total annual river

emissions-including emissions released after spring ice-out-we assumed that ice-out emissions accounted for

of annual emissions (Denfeld et al., 2018; consistent with the approach by Liu, Kimball, et al., 2022). Riverine

emissions were determined using the mean

diffusive flux reported in the MethDB (Stanley et al., 2016). Stanley et al. (2016) found that diffusive

emissions did not statistically differ across latitudes and scaled global river

emissions using one mean value. Given the limited number of reported

fluxes for rivers in the Arctic, we used the same approach as Stanley et al. (2016) and applied a global mean diffusive flux of 135 mg

to the river area. Because there are few studies that measure

emissions upon ice-out, we applied for

the same estimate as for

, where

of annual fluxes occur during the ice-free period (Denfeld et al., 2018; consistent with the approach by Liu, Kuhn, et al., 2022). Ebullition was not included for river

emission estimates due to few available measurements in the literature for this region (Stanley et al., 2016). Estimates of river

flux were derived from gridded annual

flux estimated by a mechanistic mass balance model developed globally for inland waters by Maavara et al. (2019). These data were reprojected from an original

unprojected grid to an equal area grid at 1 km resolution and clipped to the BAWLD extent. As the original lake and river surface area was not known, no correction of the inland water surface area was made.

Uncertainties for river GHG balance were determined using the standard error and coefficient of variance reported by Liu, Kuhn, et al. (2022), Stanley et al. (2016) and Maavara et al. (2019), respectively, for

, and

2.4.2. Vertical GHG Fluxes From Lakes

fluxes (diffusion and ebullition) were extracted from the BAWLD-CH4 aquatic ecosystem data set and classified based on classes (yedoma lakes, peatland ponds, and glacial/post-glacial organic poor lakes and ponds) and sizes, from large (

) to midsize (

) to small lakes (

) (Kuhn et al., 2021a; total area

; Table S4). As in Olefeldt et al. (2021) any area -regardless of its size – which is likely to be inundated

of the growing season period (long term average) is considered part of the lake land cover classes. Ice-free days were determined based on averages of reported ice-free days for each lake type and this information was used to determine ice-free season fluxes (supplementary Table S1). In addition to ice-free emissions, spring ice-out emissions (i.e., winter contribution) were considered to be

of the annual total (Wik et al., 2016).

Estimated lake

fluxes were compiled from multiple available sources based on a literature search made in May 2022 (Humborg et al., 2010; Karlsson et al., 2013; Kortelainen et al., 2006; Pelletier et al., 2014; Rasilo et al., 2015; Rocher-Ros et al., 2017; Sepulveda-Jauregui et al., 2015) and are summarized in Table S5). The studies report lake

fluxes as mean flux values for various binned lake surface areas. We took these averages and grouped them by the lake size classes included in BAWLD (

). We found no statistical differences in fluxes between the size groups and thus used one mean lake

flux to scale across the year and the region

. We applied the same number of ice-free days used to scale lake

emissions (ice-free days reported in the literature for each lake class).

To estimate lake fluxes of

, gridded global data of annual flux from Lauerwald et al. (2019) were used. This estimate is based on the nitrous oxide (

) emission model developed by Maavara et al. (2019) and the HydroLAKES database and was reprojected from an original

were determined using the coefficient of variance reported for regions north of

latitude in Lauerwald et al. (2019).

2.5. Disturbances-GHG Fluxes From Fires and Abrupt Thaw

Monthly GHG fire emissions were extracted for the study region from the Global Fire Emission Database version 4s for the period 1997-2016 and its Beta version for the years 2017-2020 (GFED; van der Werf et al., 2017). The GFED4s estimates of burned areas are based on remote sensing data at a spatial resolution of

(van der Werf et al., 2017). GHG emissions in the GFED4s are derived from the multiplication of burned area and fuel consumption per unit burned area, the latter being the product of modeled fuel loads per unit area and combustion completeness. For our purpose, we extracted mean annual GHG emissions from burned areas using the GFED4s for the period 2000-2016 and the GFED4s Beta for the period 2017-2020. To validate the use of the GFED4s Beta for the later period we compared the emissions obtained with the ones by van Wees et al. (2022) (Figure S3 in Supporting Information S1).

Localized, but widespread, disturbances associated with abrupt thaw are thought to contribute significantly to GHG emissions from permafrost (Abbott & Jones, 2015; Holloway et al., 2020; Marushchak et al., 2021; Runge et al., 2022; Turetsky et al., 2020; Walker et al., 2019; Yang et al., 2018). Abrupt thaw includes thawing processes that affect permafrost soils in periods of days to several years (Grosse et al., 2011), and is typically associated with thermokarst and thermoerosion processes that lead to the formation of hillslope erosional features (thaw slumps, thermo-erosion gullies and active layer detachments), thermokarst lakes, and thermokarst wetlands (i.e., collapse scar bogs and fens). We report abrupt thaw areas and derived annual

and

emissions using the inventorybased abrupt thaw model by Turetsky et al. (2020), in which atmospheric emissions are estimated for three generalized types of abrupt thaw terrains: mineral-rich lowlands, upland hillslopes, and organic-rich wetlands. In the abrupt thaw model, abrupt thaw areas are based on synthesized field observations and remote sensing measurements. GHG emissions from abrupt thaw were synthesized for each ecosystem state within each abrupt thaw type from the literature (ca. 20 published papers). The abrupt thaw model was initialized for a historical assessment period (1900-2000) to provide the model with a spin up and prevent the regional carbon fluxes starting at zero at the beginning of the dynamic measurement period. Thaw rates were generally in equilibrium with succession and recovery of surface permafrost during this initialization period. Changes in the area of each successional state were tracked over time by multiplying initial starting areas by transition rates. Estimates of abrupt thaw GHG emissions following the historical assessment period were performed by increasing rates of abrupt thaw through time. This increase in thaw rate was prescribed to follow the average output of “permafrostenabled” land surface models, all of which were forced by atmospheric climate anomalies from the Community Climate System Model 4 Earth system model under an RCP8.5 projection. For our purpose, we ran the abrupt thaw model for the period 2000-2020, extracted cumulative

and

emissions from active and stabilized abrupt thaw features, and derived annual fluxes for each abrupt thaw terrain for the time period 2000-2020. We used the reported uncertainty ranges of

on the upland hillslope areas,

on the mineral-rich lowland areas, and

on the organic-rich wetland areas, as in Turetsky et al. (2020). Additional details on the inventory model can be found in Turetsky et al. (2020). Since GHG data sets that we used for ecosystem upscaling partly account for abrupt thaw and to prevent double counting of GHG fluxes, CO2 and CH4 fluxes from abrupt thaw were added as a sub-flux (not added to the total) of terrestrial and inland water land cover fluxes and their
contribution to the total GHG budget is discussed. Due to the lack of in situ observations of abrupt thaw impacts on

fluxes in the used data sets, no

balance is presented for abrupt thaw.

2.6. Lateral Fluxes and Geological Emissions

Lateral C and N fluxes from riverine transport and coastal erosion (i.e., dissolved organic carbon (DOC) and dissolved organic nitrogen (DON) losses from the permafrost region to the ocean) are taken from Terhaar et al. (2021), representative for all land north of

. They estimated riverine lateral fluxes for the six largest Arctic rivers (Mackenzie, Yukon, Kolyma, Lena, Ob, Yenisei) from the Arctic Great River Observatory data set and extrapolated them to the entire Arctic catchment. Emissions from coastal erosion were calculated by multiplying spatially resolved estimates of coastal erosion rates by estimates of C content in coastal soils provided by Lantuit et al. (2012).

Estimates of geological emissions of

(from subsurface fossil hydrocarbon reservoirs) are taken from an upscaled circumpolar permafrost region estimate for gas seeps along permafrost boundaries and lake beds made by Walter Anthony et al. (2012). We note that there is some risk of double counting such fluxes, especially in sites where eddy covariance flux towers may have unknowingly been placed close to seeps of geological

emissions. No separate estimates of geological emission for

are available for the permafrost region. For

, the full global geological emissions are estimated to

(Mörner & Etiope, 2002).

3. Results and Discussion

3.1. Net GHG Balance From Terrestrial Land Cover Types

Terrestrial ecosystems represent a decadal-scale sink for

and source for

and

(Table 1, Figure 3). The mean annual

flux was a net sink, but could not be distinguished from

neutral when the

confidence interval was considered ( -339.6 (

)

). The broad uncertainty interval can be attributed both to the large natural variability in

fluxes across sites and to the heterogeneity of ecosystem types included in each of the land cover classes defined in the BAWLD classification. Boreal Forests and Nonpermafrost Wetlands were

sinks ( -270.3 and

, respectively), while Tundra Wetlands and Permafrost Bogs were close to neutral ( -2.7 and

, respectively). Dry Tundra was the only ecosystem type classified as an annual ecosystem

source (

), but the very broad uncertainty range (

) indicates low confidence in the sign of this flux. Terrestrial ecosystems were overall a net sink of

during the growing season

, with the strongest

in the boreal forest

(Table 2).

Annual vertical terrestrial

balance has been reported for high-latitudes in recent papers using different upscaling approaches. While closely related due to overlap in flux data, a higher NEE uptake is reported by both Virkkala et al. (2021) and Watts et al. (2023) ( -419 (

of -559 to -189 )

and -601 (standard error of

, respectively). However, the estimated NEE uptakes for the permafrost region solely are weaker, with an uptake of

and

, respectively). The difference between the later NEE uptakes and our results relates to the subset of data included in the analyses (exclusively eddy covariance tower fluxes in Watts et al., 2023), the different years covered in the analyses (Virkkala et al., 2021: 1990-2015, Watts et al., 2023: 2003-2015), the different spatial extents, and the upscaling approach applied (Arctic Terrestrial Carbon Flux Model (TCFM-Arctic) in Watts et al., 2023, and statistical upscaling in Virkkala et al., 2021). Both of these studies as well as the previous RECCAP synthesis (1990-2006, McGuire et al., 2012) report the tundra as a weak

; and

, respectively) although they also show that annual tundra

balance cannot be distinguished from

neutral when taking into account the uncertainty range. Dry Tundra

balance was also identified as a source of

in McGuire et al. (2012).

Our estimated annual net

source of

from terrestrial ecosystems (Table 1) was largely driven by emissions from Non-permafrost Wetlands (20.6 (14.3, 26.9) Tg CH4-C yr-1). As in Treat et al. (2018), Non-permafrost Wetlands emitted more than Tundra Wetlands. Annual

flux estimates for Tundra Wetlands (

) and Dry Tundra (

were in the lower range from the previous estimates provided by McGuire et al. (2012), in which the tundra was estimated to release 11 ( 0 , 22)

(between 1990 and 2006). Our growing season

budget was a source of 16 (8.6,

Table 1
Greenhouse gas (

, and

) Balance and Total C and N Budgets for the Permafrost Region Based on Ecosystem Flux Upscaling

	Area

		Mean	2.5% CI	97.5% CI	Mean	2.5% CI	97.5% CI	Mean	2.5% CI	97.5% CI
Upland and wetland land covers	17.05	-339.59	-835.5	156.3	25.6	14.7	36.4	0.55	-0.03	1.1
Boreal Forests	9	-270.32	-539.8	-0.9	-1.1	-2.2	0.0	0.14	-0.01	0.30
Non-permafrost Wetlands	1.6	-69.4	-124.7	-14.2	20.6	14.3	26.9	0.07	-0.03	0.17
Permafrost Bogs	0.86	-0.05	-0.82	0.73	0.7	0.3	1.1	0.10	-0.03	0.23
Dry Tundra	5.2	2.9	-147.6	153.5	2.1	-0.4	4.5	0.23	0.04	0.42
Tundra Wetlands	0.38	-2.7	-22.6	17.2	3.3	2.7	3.9	0.01	0.00	0.02
Subfraction from wetland abrupt thaw	0.72	19.3	12.6	26.1	19.05	12.4	25.7	NA	NA	NA
Subfraction from upland hillslope abrupt thaw	0.014	0.3	0.2	0.5	4.1	2.4	5.7	NA	NA	NA
Inland waters	1.4	230.6	132.4	359.8	9.4	4.5	13.1	0.0019	0.0008	0.0029
Rivers	0.12	164.4	107.3	222.5	2.3	1.6	2.9	0.0006	0.0004	0.0008
Lakes	1.3	66.2	25.1	137.3	7.1	2.9	10.2	0.0012	0.0004	0.002
Subfraction from lowland abrupt thaw lakes	0.43	11.6	8.2	15.1	7.8	5.5	10	NA	NA	NA
Fires	1.1	121.0	96.7	145.3	1.8	1.4	2.1	0.12	0.10	0.15
Boreal	0.96	111.0	87.7	134.3	1.6	1.3	2.0	0.113	0.089	0.137
Tundra	0.11	9.4	5.5	13.3	0.14	0.08	0.20	0.009	0.005	0.014
Geological emissions		NA	NA	NA	1.5	1.2	1.8	NA	NA	NA
Total GHG balance		11.98	-606.4	661.4	38.3	21.8	53.4	0.67	0.07	1.25
Lateral fluxes		94	79	111	NA	NA	NA	2.6	1.9	3.6
Riverine flux		78	70	87				1.0	0.9	1.1
Coastal erosion		15	9.2	24				1.6	1.0	2.5
Total and N budgets		106.0	-527.4	772.4				3.3	2.0	4.8

Note. Negative GHG emissions represent an uptake while positive emissions represent a release. GHG emissions from terrestrial ecosystems are reported as mean fluxes with 2.5 and

confidence intervals (CI). GHG emissions from inland waters and fires are reported with 5 and

CI. GHG emissions from abrupt thaw are reported with

uncertainty range. Bold values were to emphasize the columns with the mean values.

These fluxes are estimated using the abrupt thaw model from Turetsky et al. (2020) and are considered as additive to the total for these categories (to avoid double counting of fluxes).

Includes

, and lateral fluxes.
23.3)

(Table 2), with non-permafrost Wetlands contributing

. All terrestrial ecosystems except Boreal Forests were net

emitters. Boreal Forests were a net sink of

). This net

uptake from Boreal Forests was shown in a synthesis of site-level and plot-level

on the order of

(Kuhn et al., 2021). This is largely driven by net

oxidation in the aerobic soils, many of which are covered by forest (non-Sphagnum) mosses. Moreover, recent investigations of the regulatory mechanisms of

oxidation in Boreal Forests show evidence that SOC constitutes an important variable that governs the forest

sink by providing alternative carbon compounds for methanotrophs and enhancing their activity by stimulating growth (Lee et al., 2023). The net sink of atmospheric

in well-drained soils is widely recognized in global budgets (e.g., Saunois et al., 2019) as well as in earlier process-based studies (Whalen et al., 1992). Our

annual balance was lower than those estimated for the northern high latitude wetlands (

) at 31,32 , and

(depending on wetland distribution maps) by Peltola et al. (2019) and

by Watts et al. (2023). However, our

growing season balance estimate was higher than the balance based on 93 observations presented in Treat et al. (2018) except for the Tundra Wetlands where they remain within the same range. Despite their large spatial coverage, the Dry Tundra was a small source of

during the growing season (

), although the low end of the CI suggests that it could remain a sink. More measurements from these drier ecosystems are needed, as also recent studies indicate that tundra soils, in particular well-drained uplands, could be important

sinks (D’Imperio et al., 2023; Oh et al., 2020; Voigt et al., 2023).

Figure 3. Scheme of annual atmospheric greenhouse gases ( GHGs ) exchange (

, and

) for the five terrestrial land cover classes (Boreal Forests

, Non-permafrost Wetlands

, Dry Tundra

, Tundra Wetlands (

) and Permafrost Bogs (

)); inland water classes (Rivers (

) and Lakes

). Annual lateral fluxes from coastal erosion and riverine fluxes are also reported in

and

. Symbols for fluxes indicate high (

), medium (Q1

), and low (

) fluxes, in comparison with the quartile (Q). Note that the magnitudes across three different GHG fluxes within each land cover class cannot be compared with each other.

Our

annual balance estimate of

, 1.1)

Table 1) suggests that terrestrial ecosystems were a

source, although the uncertainty range around

fluxes extends from a small sink to a larger source. These high uncertainties partly relate to the limited number of observations of

fluxes ( 47 sites and 91 observations), which only include growing-season observations. Our estimated annual

balance is within the range of the one previously reported by Voigt et al. (2020a) (

median-meanbased estimate). In our study, Dry Tundra was the largest

source (

). Boreal

Table 2
Growing Season (gs) Emissions of Greenhouse Gas (GHGs-CO2,

, and

) From Terrestrial Ecosystems in the Permafrost Region

	Area									Sites (#)
	Area
		Sites (#)	Mean	2.5% CI	97.5% CI	Sites (#)	Mean	2.5% CI	97.5% CI		Mean	2.5% CI	97.5% CI
Upland and wetland land covers	17.05	95	-1,611	-2148	-1,074	458	16	8.6	23.3	45	0.273	-0.019	0.572
Boreal Forests	9	25	-1,034	-1,305	-763	26	-1.1	-2.3	0	13	0.07	-0.01	0.15
Non-permafrost Wetlands	1.6	10	-145	-193	-96	182	13	9.1	17	11	0.03	-0.02	0.09
Permafrost Bogs	0.86	2	-54	-139	31	79	0.50	0.20	0.70	5	0.05	-0.01	0.11
Dry Tundra	5.2	25	-358	-482	-234	62	1.4	-0.3	2.9	16	0.11	-0.02	0.21
Tundra Wetlands	0.38	33	-20	-29	-234	109	2.1	1.7	25	11	0.01	0.00	0.01

Note. GHG emissions are reported as mean fluxes with 2.5 and

confidence intervals (CI).

Non-permafrost Wetlands include fens, bogs, and marshes. Due to lack of data,

fluxes for non-permafrost Wetlands, fluxes are assumed to be equal to those of Tundra Wetlands.

Forests were the second largest

source

due to their large area, although their fluxes per unit area were small (Table S6,

). Although they occupy a small portion of the landscape (

), Permafrost Bogs were the largest

emitters per unit area (Table S6,

) and their contribution to the regional

balance was

. The estimate for Permafrost Bogs includes emissions from barren peat surfaces, where vascular plants are absent – surfaces previously identified as

hot spots in the Arctic due to ideal conditions for

production (Gil et al., 2022; Marushchak et al., 2011; Repo et al., 2009). A challenge remains regarding the mapping of Permafrost Bogs and barren ground and integration within land cover classifications. Therefore, we did not differentiate between vegetated and non-vegetated Permafrost Bog areas when upscaling.

emissions from Tundra Wetlands were negligible ( 0.01 ( 0.00 , 0.02) Tg

), which can be explained by the lack of nitrate supply as an

precursor under reduced conditions and reduction of

during denitrification when the water table is high (Butterbach-Bahl & Dannenmann, 2011; Voigt et al., 2017). Recent observations not included in the

review data set (Voigt et al., 2020a) show that wetlands may also function as net

sinks in the Arctic (Schulze et al., 2023).

3.2. Net GHG Balance From Inland Waters

Inland aquatic ecosystems were a net source of

), and

). Rivers annually emit

and

to the atmosphere. These high riverine fluxes are due to their supersaturation in

as they receive and degass

derived from adjacent soils. To our knowledge, there are no specific annual estimates of riverine GHGs for the permafrost region to compare our estimates; however, when compared to emissions from high latitudes, our

emissions for rivers are within the lower range of published estimates (

) (Thornton et al., 2016).
In comparison to riverine emissions, lakes were a weaker source of

but a stronger source of

and

Table 1). Our annual lake

emission estimate is lower than previous estimates reported by Wik et al. (2016) (12.4 (7.3, 25.7)

) and Matthews et al. (2020) (13.8-17.7

). This is partly related to the difference in lake classifications where in this study lakes were separated by both types and size categories, whereas these previous estimates separated the lakes by type alone-although domain sizes differ slightly. The largest source of lake

emissions was from small peatland lakes (

of lakes emissions, Table S4), which are dominant in the peat-rich regions of the Hudson Bay Lowlands in Canada and the West Siberian Lowlands in western Russia (Olefeldt et al., 2021). However, the areas of small lakes estimated by BAWLD are among the most uncertain of the land cover classes (Olefeldt et al., 2021) due to limited spatial data used for lakes and great flux variability among small lakes across the domain (Muster et al., 2019). Our mean lake and river

emission estimates for the permafrost region constitute

of reported global annual

emissions for lakes (Holgerson & Raymond, 2016) and rivers (Liu, Kimball, et al., 2022). We note that there is a substantial lack of

flux data for Boreal-Arctic lakes (Stanley et al., 2016), making our estimates highly uncertain. While there is no estimate of

emissions from arctic lakes, Kortelainen et al. (2020) estimated boreal lakes

emissions at 0.029 (

)

3.3. Net GHG Balance From Disturbances

Fires within the study region affected

during the period 2000-2020. On average, fires impacted 0.06 million

annually, emitting 121 (96.7, 145.3)

, and 0.12 (

)

. Ninety percent of the annually burned area was in the boreal biome, contributing to more than

of the permafrost region fire GHG emissions (Table 1). Fire

emissions offset a third of the

uptake from terrestrial ecosystems, while

and

emissions from fires represent

and

of the

and

emitted by terrestrial ecosystems, respectively. Our fire emission estimates mainly reflect direct emissions from combustion. There is also a component of increased growth during post-fire recovery, which we do not explicitly account for. However, it is indirectly accounted for as many of the in situ flux data were collected from previously burned ecosystems (which drives up the mean land cover flux). Our fire carbon emission estimate for boreal ecosystems

and

is slightly lower than that of

previously reported by Veraverbeke et al. (2021). Using GFED4s data, our estimate might underestimate fire

emissions, as shown in Potter et al. (2022), where GFED4s emissions were

lower than those obtained using the ABoVEFED data-driven product.

The total area affected by active and stabilized abrupt thaw between 2000 and 2020 was estimated to be

in lowlands,

in uplands, and

in wetlands), accounting for ca.

of the permafrost region (Table 1). Altogether, areas affected by abrupt thaw were net emitters of

and

(Table 1, details in Table S7).

and

emissions from wetland abrupt thaw were the largest (Table 1). GHG estimates from abrupt thaw were not directly included in the permafrost GHG balance as it was not possible to know how much were already accounted for in the GHG balance from terrestrial upscaling. However, the impact of abrupt thaw processes on C cycling in the permafrost region is large, and it is projected that it will contribute nearly as much as gradual thaw to future radiative forcing from permafrost thaw (Turetsky et al., 2020).

3.4. Total GHGs, C, and N Budgets

Summing up all budget components, the permafrost region was a source of GHGs throughout the period 20002020 (Table 1). Emissions of

were weak with

due to the large

uptake from terrestrial ecosystems. Emissions from aquatic ecosystems were the largest source of

annually.

and

emissions were

and

, respectively, with terrestrial ecosystems as largest contributors (

and

, respectively). Lateral fluxes were

and

(Table 1), with riverine flux contributing

and

, respectively.

Taking into account all the above mentioned budget components, the total C (including atmospheric

, and lateral fluxes) budget for the permafrost region between 2000 and 2020 was estimated to 144.3 ( -505.6 ,

. Atmospheric

contributed ca.

to the total C released from the region, while atmospheric

contributed

. The total N budget for the permafrost region was

. Most of the

the N released was through lateral fluxes, with coastal erosion releasing

of the total N from the region. Atmospheric

from inland waters was negligible, whereas atmospheric

from terrestrial ecosystems represented

of the total N released in the permafrost region. Atmospheric

losses due to fires represented

of the N in the permafrost region.

3.5. Main Sources of Uncertainty and Research Directions

3.5.1. Limitations in the Number of Observations

A major challenge in the representation of GHG exchange in high-latitude and remote environments relates to limitations in spatial representation, length and quality of observational time series (Pallandt et al., 2022; Virkkala et al., 2018). The synthesis data sets used here to estimate GHG fluxes are the most comprehensive ones currently available and have been significantly growing during the past decade. However, more observations covering the full annual cycles are still needed to improve the representativeness of heterogeneous and underrepresented landscapes and climatic conditions. Specifically, more observations from the Dry Tundra land cover class are needed to verify its GHG sink-source status and from ecosystems experiencing disturbances such as abrupt thaw.

flux measurements are limited in Boreal Forests, and

flux measurements are scarce for all terrestrial and aquatic ecosystems. Across all the GHG fluxes, measurements in environments with low fluxes are also important to avoid biasing our understanding to hotspot regions. Limitations related to the number of flux measurements could be overcome by increasing in situ and laboratory experiments. This would improve the process-based understanding of fluxes and their response to changes in temperature, moisture, permafrost thaw and other disturbances. Improvements in the reporting of measurements and metadata should be prioritized for a better integration of available data, especially to address reporting of net-zero or negative fluxes. Difficulties in measuring small exchange rates can be overcome by using new technologies based on portable, high-precision laser instruments (e.g., D’Imperio et al., 2017; Juncher Jørgensen et al., 2015). Very recently, such portable high-precision instruments are also becoming available for

, opening possibilities for more numerous and accurate

flux estimates, including the capture of

uptake.

flux measurements from inland waters are still scarce and ice-out estimates are often missing for

fluxes. Moreover, seasonally inundated water bodies are not well represented although they might contribute substantially to the release of GHGs in short periods of time.

Estimates of high latitude lateral fluxes of C and N are fairly well constrained in comparison to land-atmosphere GHG fluxes. However, available estimates are provided for the major six largest arctic rivers that represent

of the total area covered by rivers (Speetjens et al., 2023). Although smaller catchments are highly abundant, estimates of GHG fluxes are not well constrained for the permafrost region. Improving this understanding will allow lateral flux integration of these smaller catchments in the main estimates of lateral fluxes from inland waters.

Differences in GHG fluxes among land cover classes are large. Therefore, it is crucial to obtain their representation correctly to improve land cover-based GHG flux upscaling. To date, there is no accurate land cover classification of permafrost landscapes (both dry and wet) at a circumpolar scale. We used the BAWLD land cover classification (Olefeldt et al., 2021) in which land cover classes were defined to enable upscaling of

fluxes at large spatial scales. While very relevant to facilitate large-scale mapping of

fluxes, it lacks sufficient classes to allow separation among groups of dryer ecosystems that might have large variability in

fluxes. This is the case for the Dry Tundra and Boreal Forest classes that comprise a mosaic of ecosystems with different vegetation types. This results in a large uncertainty range in the class flux estimate of the Dry Tundra (see Table 1, Table S6), making the interpretation of the flux estimates difficult.

Emissions from small water bodies (

) globally represent important inland water

and

fluxes (Holgerson & Raymond, 2016) and even more at high latitudes. Although accounted for in this study, emissions from small water bodies are quite uncertain as they are difficult to map at a large scale due to their high temporal and spatial variability. Small ponds and lakes can be temporary and their size can vary depending on the amount of precipitation after snowmelt; they expand much in wet years and after snowmelt and can often disappear in dry years or late in summer. Improving the spatial and temporal resolution of the products used to map inland waters would benefit the representation of small water bodies, which would resolve a critical source of uncertainty in calculating GHG exchange.

3.5.3. Limited Understanding of the Impact of Disturbances on the GHG Budget

As ecosystems go through disturbance cycles, there are both losses and gains of C and N to ecosystems. It is unclear how well post-disturbance dynamics, for example, post-fire regrowth, is captured in our ecosystem flux upscaling. Our emissions from fires consider direct GHG emissions but not the indirect and longer-term soil emissions resulting from fire-induced ground thaw. Although carbon losses might be offset by shifts in species composition (Mack et al., 2021; Randerson et al., 2006; Ueyama et al., 2019), fires can also initiate further permafrost thaw and degradation (Genet et al., 2013; Gibson et al., 2018; Jafarov et al., 2013). As such, fires can trigger shifts in the landscapes, impacting biogeochemical cycling (Abbott & Jones, 2015; Bouskill et al., 2022; Hermesdorf et al., 2022; Köster, Köster, Berninger, Prokushkin, et al., 2018; Marushchak et al., 2021; Randerson et al., 2006; Ullah et al., 2009; Voigt et al., 2017; Wilkerson et al., 2019). Improving our understanding of landscape transitions due to fire will help constrain the contribution of disturbances to the GHG balance in the region. Next GHG budgets for the permafrost region will need to call for new data sets of fire emissions that account for post-fire recovery processes.

The spatial extent and GHG emissions from abrupt thaw disturbances remain poorly constrained due to a lack of available data (Turetsky et al., 2020). Flux measurements from abrupt thaw are still scarce and thus their reported flux estimate should be interpreted carefully. Improving the number of in situ measurements from abrupt thaw disturbances and consistent reporting should be a key to understanding the impact of abrupt thaw on permafrost GHG budgets. Transition rates (from active to stabilized abrupt thaw feature) need to be further understood and systematic mapping of abrupt thaw areas remain to be improved to better constrain emissions from abrupt thaw.

emissions from abrupt thaw were not included in this study due to the small number of observations reported in the literature and little understanding on the impact of abrupt thaw on emissions

. However, it has been shown that such disturbances frequently cause

emission hotspots (Voigt et al., 2020a). Two recent studies using a terrestrial ecosystem model simulate enhanced gaseous N losses from thawing permafrost (Lacroix et al., 2022; Yuan et al., 2023). Another study showed that uptake of atmospheric

in peat plateaus and thermokarst bogs increased with soil temperature and soil moisture following disturbances (Schulze et al., 2023). Local hydrology will determine whether the site will turn into a source of

after thaw as high emissions can occur at intermediate moisture conditions in N rich soils (Marushchak et al., 2021), but a transition to wetland would promote denitrification with

as the final product and prevent AND SPACE SCIENCES

Global Biogeochemical Cycles

Acknowledgments

This work is a collaborative effort from the Global Carbon Project Second REgional Carbon Cycle and Processes study (RECCAP2) and contributes to the Arctic Methane and Permafrost Challenge. JR and GH acknowledge support from the European Union’s Horizon 2020 Research and Innovation Programme to the Nunataryuk project (no. 773421) and support from the AMPAC-Net project funded by the European Space Agency. JR received additional funding from the Swedish Academy of Science (Formas) under the Grant FR-2021/0004. EJB has received funding from the European Union’s Horizon 2020 research and innovation programme under Grant Agreement No 101003536 (ESM2025 Earth System models for the Future) and from the Joint UK BEIS/Defra Met Office Hadley Centre Climate Programme (GA01101). Work of MEM was supported by the Academy of Finland in the frame of the Atmosphere and Climate Competence Center (no. 337550). CV was supported by the Academy of Finland project MUFFIN (Grant 332196) and the BMBF project MOMENT (no. 03F0931 A). CB wishes to thank the Academy of Finland (project NPERM – decision no. 341348, project NOCA – decision no. 314630 and the Yedoma-N project decision no. 287469) for financial support. AMV, BMR, SMN, JDW, and SP were funded by the Gordon and Betty Moore foundation (Grant 8414) and through funding catalyzed by the Audacious Project (Permafrost Pathways). MAK was supported by the NSF PRFB Program (Abstract # 2109429). CT acknowledges support through the project Palmod, funded by the German Federal Ministry of Education and Research (BMBF), Grant 01LP1921 A. JGC was funded by the Australian National Environmental Science Program (NESP2) -Climate Systems Hub. MIROC4-ACTM inversion activity is supported by the Arctic Challenge for Sustainability phase II (ArCS-II; JPMXD1420318865) Projects of the Ministry of Education, Culture, Sports, Science and Technology (MEXT), and Environment Research and Technology Development Fund (JPMEERF21S20800) of the Environmental Restoration and Conservation Agency of Japan. ELB considers this study a contribution to GreenFeedBack (Greenhouse gas fluxes and earth system feedbacks) funded by the European Union’s HORIZON research and innovation program under grant agreement No 101056921. EAGS was funded by NSF PLR Arctic System Science Research Networking Activities Permafrost Carbon Network: Synthesizing Flux Observations for Benchmarking Model Projections of Permafrost Carbon Exchange (2019-2023) Grant 1931333.

release (Butterbach-Bahl & Dannenmann, 2011; Voigt et al., 2017) or even cause or enhance net

uptake (Schulze et al., 2023).

As our understanding of processes leading to GHG release through abrupt thaw is constantly improving, future permafrost GHG budgets will be able to better integrate both atmospheric and lateral fluxes from abrupt thaw. Thus far, the abrupt thaw model (Turetsky et al., 2020) does not consider lateral fluxes from abrupt thaw. While we might capture these losses through our lateral fluxes, future budgets should allow measuring the fraction of what is lost due to abrupt thaw. Other disturbances including anthropogenic disturbances (e.g., clear cutting and logging) have not been estimated in this study. Future budgets could aim at constraining the impact of these disturbances on the permafrost GHG budget.

4. Conclusions

Using a land cover-based ecosystem flux upscaling approach (including fluxes from terrestrial ecosystems, inland water, disturbances and geological fluxes), the permafrost region was identified as an annual source of GHGs between 2000 and 2020. The region emitted

(mean and

confidence interval range used hereafter),

, and

to the atmosphere. The region was thus a net source of

and

. For

, although the 20-year mean is a net source, the uncertainty range remains large, extending from a large sink to an even larger source of

and therefore challenging the calculation of the net flux sign. We suggest that terrestrial ecosystems were likely an ecosystem

sink, but emissions from disturbances and inland waters offset this flux, making the full

budget largely indistinguishable from zero (neutral). The total C (including atmospheric

, and lateral fluxes) and N budgets for the permafrost region were estimated to

and

Data Availability Statement

The land cover mean GHG fluxes were obtained for each of the five terrestrial land cover classes after homogenizing and analyzing three comprehensive GHG flux data sets: Virkkala et al. (2022) for

fluxes; Kuhn et al. (2021a) for

fluxes; and Voigt et al. (2020a, 2020b) for

fluxes. Additional data were extracted from the literature for Boreal Forest

flux data set from Voigt et al. (2020b) does not cover Boreal Forest ecosystems. Estimates of river and stream

flux were calculated from gridded monthly flux data estimated by Liu (2021; https://doi.org/10.5061/dryad.d7wm37pz9; Dryad). Estimates of river

flux were derived from gridded annual

flux estimated by a mechanistic mass balance model developed globally for inland waters by Maavara et al. (2019). CH4 fluxes (diffusion and ebullition) were extracted from the BAWLD-CH4 aquatic ecosystem data set (Kuhn et al., 2021a). Estimated lake

fluxes were compiled from multiple available sources based on a literature search made in May 2022 (Humborg et al., 2010; Karlsson et al., 2013; Kortelaine et al., 2006; Pelletier et al., 2014; Rasilo et al., 2015; Rocher-Ros et al., 2017; Sepulveda-Jauregui et al., 2015) and are summarized in Table S5). To estimate lake fluxes of

, gridded global data of annual flux from Lauerwald et al. (2019) were used. Monthly GHG fire emissions were extracted for the study region from the Global Fire Emission Database version 4s for the period 1997-2016 and its Beta version for the years 2017-2020 (GFED; van der Werf et al., 2017). We report abrupt thaw areas and derived annual

and

emissions using the inventory-based abrupt thaw model by Turetsky et al. (2020). Lateral C and N fluxes from riverine transport and coastal erosion (i.e., dissolved organic carbon and dissolved organic nitrogen losses from the permafrost region to the ocean) are taken from Terhaar et al. (2021). Estimates of geological emissions of

References

and

evasion from small boreal lakes. Global Change Biology, 12(8), 1554-1567. https://doi.org/10.1111/j.13652486.2006.01167.x

صافي توازن غازات الدفيئة وميزانية منطقة التربة المتجمدة (2000-2020) من توسيع تدفقات النظام البيئي The Net GHG Balance and Budget of the Permafrost Region (2000–2020) From Ecosystem Flux Upscaling

مقالة بحثية10.1029/2023GB007953

قسم خاص:ريكا ب2

النقاط الرئيسية:

المعلومات الداعمة:

المراسلة إلى:

اقتباس:

مساهمات المؤلفين:

© 2024. المؤلفون.

صافي توازن غازات الدفيئة وميزانية منطقة التربة المتجمدة (2000-2020) من توسيع تدفقات النظام البيئي

الملخص

الدورات البيوجيوكيميائية العالمية

1. المقدمة

2. المواد والأساليب

2.1. منطقة الدراسة

2.2. ميزانيات غازات الدفيئة من توسيع تدفقات النظام البيئي

2.3. تدفقات غازات الدفيئة من أنواع تغطية الأرض البرية

2.4. تدفقات غازات الدفيئة العمودية من المياه الداخلية

2.4.1. تدفقات غازات الدفيئة العمودية من الأنهار

2.4.2. تدفقات غازات الدفيئة العمودية من البحيرات

2.5. الاضطرابات – تدفقات غازات الدفيئة من الحرائق والذوبان المفاجئ

2.6. التدفقات الجانبية والانبعاثات الجيولوجية

3. النتائج والمناقشة

3.1. صافي توازن غازات الدفيئة من أنواع تغطية الأراضي البرية

3.2. صافي توازن غازات الدفيئة من المياه الداخلية

3.3. صافي توازن غازات الدفيئة الناتجة عن الاضطرابات

3.4. إجمالي انبعاثات الغازات الدفيئة، والكربون، وميزانيات النيتروجين

3.5. المصادر الرئيسية للغموض واتجاهات البحث

3.5.1. القيود في عدد الملاحظات

3.5.2. القيود المتعلقة بتصنيف الغطاء الأرضي

3.5.3. فهم محدود لتأثير الاضطرابات على ميزانية غازات الدفيئة

الدورات البيوجيوكيميائية العالمية

شكر وتقدير

4. الاستنتاجات

بيان توفر البيانات

References

RESEARCH ARTICLE 10.1029/2023GB007953

Special Section: RECCAP2

Key Points:

Supporting Information:

Correspondence to:

Citation:

Author Contributions:

© 2024. The Authors.

The Net GHG Balance and Budget of the Permafrost Region (2000-2020) From Ecosystem Flux Upscaling

Abstract

Global Biogeochemical Cycles

1. Introduction

2. Materials and Methods

2.1. Study Area

2.2. GHG Budgets From Ecosystem Flux Upscaling

2.3. GHG Fluxes From Terrestrial Land Cover Types

2.4. Vertical GHG Fluxes From Inland Waters

2.4.1. Vertical GHG Fluxes From Rivers

2.4.2. Vertical GHG Fluxes From Lakes

2.5. Disturbances-GHG Fluxes From Fires and Abrupt Thaw

2.6. Lateral Fluxes and Geological Emissions

3. Results and Discussion

3.1. Net GHG Balance From Terrestrial Land Cover Types

3.2. Net GHG Balance From Inland Waters

3.3. Net GHG Balance From Disturbances

3.4. Total GHGs, C, and N Budgets

3.5. Main Sources of Uncertainty and Research Directions

3.5.1. Limitations in the Number of Observations

3.5.2. Limitations Related to the Land Cover Classification

3.5.3. Limited Understanding of the Impact of Disturbances on the GHG Budget

Global Biogeochemical Cycles

Acknowledgments

4. Conclusions

Data Availability Statement

References

مقالة بحثية
10.1029/2023GB007953

قسم خاص:
ريكا ب2

RESEARCH ARTICLE
10.1029/2023GB007953

Special Section:
RECCAP2