Växternas roll som källa till växthusgaser i restaurerade vattenmiljöer

Vattenväxter kan vara både en kolsänka och en källa till växthusgaser. I forskningsprojektet CLIMIPHY undersöker forskaren Sebastian Sobek och hans kollegor vid Uppsala universitet hur växtlighet i restaurerade våtmarker och vattendrag påverkar balansen mellan kolinlagring och växthusgasutsläpp – och hur kunskapen kan användas för att göra vattenrestaurering mer klimatmedveten.

Många vattenmiljöer är i dag kraftigt påverkade av mänsklig aktivitet, vilket har bidragit till försämrad vattenkvalitet och minskad biologisk mångfald. Restaurering har därför blivit ett centralt verktyg i vattenförvaltningen, där anläggning eller restaurering av våtmarker och utrivning av dammar är vanliga åtgärder.

– När vi restaurerar vattendrag eller våtmarker skapar vi nya möjligheter för vattenväxter att etablera sig. Då uppstår frågan: vad innebär egentligen växtligheten för omsättningen av kol och utsläppen av växthusgaser?

Det säger Sebastian Sobek, professor i limnologi vid Uppsala universitet och projektledare för forskningsprojektet ”Minimizing the climate footprint of river restoration” (CLIMIPHY). Projektet undersöker samspelet mellan vatten, vegetation och klimat, med målet att både bidra till ökad förståelse om växternas utsläpp av växthusgaser och ta fram praktiskt användbar kunskap som kan användas vid restaurering av vattenmiljöer.

– Vi tittar på vattenväxternas roll i kolomsättning, växthusgasutsläpp och kolinlagring. Det är frågor som inte är så väl kartlagda, trots att de här växterna finns i och runt i stort sett varje sjö och vattendrag, säger projektledaren Sebastian Sobek.

Från kolkretslopp i sjöar till vattenväxter

Sebastian Sobeks egen forskning har länge kretsat kring kolkretsloppet i sjöar och vattendrag, med särskilt fokus på hur koldioxid och metan avgår från vatten till atmosfären. Även sedimentens roll som kolsänka har utgjort en viktig del av forskningen.

– Jag har tidigare tittat mycket på processer i sedimenten som avgör om organiskt material lagras in i bottnarna eller bryts ner till koldioxid eller metan.

Vattenväxter var däremot länge en mindre del av hans forskning. Det förändrades genom samarbetet med kollegan och forskaren Charlotte Grasset vid Uppsala universitet, vars bakgrund finns inom våtmarksekologi och växters omsättning av kol.

– Hon har hela tiden hävdat att växterna är mycket viktiga, och till slut fick vi möjlighet att mötas i de här forskningsfrågorna.

När forskningsfinansiären Formas utlyste medel för projekt i gränslandet mellan vatten, klimat och biologisk mångfald föll bitarna på plats. CLIMIPHY beviljades medel och kunde starta.

Restaurerade miljöer som studieobjekt

I projektet ingår, förutom Uppsala universitet, även Enköpings kommun, Uppsala kommun samt konsultföretaget WRS. Fokus är på studier av vattenmiljöer som påverkats av restaureringsåtgärder. Det handlar dels om anlagda våtmarker, till exempel för dagvattenhantering eller näringsretention i jordbrukslandskapet, dels om dammutrivningar där tidigare vattenkraftsmagasin återgår till mer naturliga förhållanden.

Projektet har hittills följt våtmarker i Paddeborgsparken utanför Enköping samt en serie av efterpoleringsdammar i Örsundsbro utanför Uppsala, där omfattande fältmätningar genomförts under ett års tid. Man inväntar även besked om en utrivning av två kraftverksdammar i Rönne å, Klippans kommun, för att kunna genomföra undersökningar även där.

– Tanken är att vi på den torrlagda åbotten i ett av vattenmagasinen ska anlägga mindre ytor där vi sår in eller planterar olika växter, exempelvis starr.  Därefter ska vi över tid följa hur de påverkar kolinlagring och utsläpp av växthusgaser.

Snabb tillväxt – men vad händer med kolet?

Växter i våtmarksmiljöer kännetecknas ofta av mycket hög tillväxt, tack vare den goda tillgången på vatten, näring och ljus. Tillväxten i vissa våtmarker kan vara nästan jämförbar med en tropisk regnskog eftersom förutsättningarna för växterna är så gynnsamma.

Den höga tillväxten innebär också ett stort upptag av koldioxid under växtsäsongen. Samtidigt är det långt ifrån självklart vad som händer med kolet när växtbiomassan väl bryts ner.

– Bryts det ner till koldioxid går den tillbaka till atmosfären. Bryts det i stället ner till metan är det sämre ur ett klimatperspektiv, eftersom metan är en mycket kraftigare växthusgas. Men en del av kolet lagras också in i bottnarna och blir en sänka.

Ett centralt fokus i CLIMIPHY är att försöka förstå vilka växtegenskaper, snarare än vilka arter, som styr dessa processer.

– Vi tittar på egenskaper som bladytan, rotsystemets utformning, växtens kemiska sammansättning och tillväxthastighet. Hypotesen är att sådana egenskaper kan hjälpa oss att förutse växternas klimatpåverkan bättre än vilken art det är.

Komplexa processer i syrefria sediment

Samtidigt är förhållandena i bottensedimenten ofta krävande för vattenväxter. Här skapar den mikrobiella nedbrytningen av organiskt material en miljö där syre snabbt förbrukas.

– Bottenslammet är i princip helt syrefritt, just för att det finns så mycket organiskt material som bryts ner där. Och rötterna måste ju ha syre för att kunna leva, förklarar Sebastian Sobek.

För att hantera detta har vattenväxterna anpassat sig. Syre transporteras från bladen ner till rötterna via luftkanaler inne i växten.

– Men via de här luftkanalerna kan också metan, som bildas i de syrefria sedimenten, ta samma väg tillbaka upp och släppas ut till atmosfären.

Parallellt kan syre som läcker ut från rötterna också minska den lokala metanproduktionen, eftersom metanbildande mikroorganismer inte tål syre. Detta gör att vattenväxter både kan förstärka och dämpa metanutsläpp på samma gång. CLIMIPHY fokuserar på den sammanlagda nettoeffekten av olika växter, snarare än att kartlägga alla enskilda mikroskopiska processer i detalj.

Fältmätningar och drönarteknik

I projektet kombineras traditionella fältmätningar med ny avancerad drönarteknik för att fånga både detaljerade processer och helheten i våtmarkerna när det kommer till omsättning av kol och växthusgasutsläpp. För att kunna undersöka hur mycket kol som lagras i bottensedimenten har forskarna även tagit fram en ny typ av sedimentprovtagare som kan skära genom täta rotsystem.

– Det är svårt att provta där det finns mycket rötter, eftersom vanliga plaströr helt enkelt studsar tillbaka. Därför har vi tillsammans med universitetets verkstad utvecklat en provtagare som kan skära sig ner genom rotsystemen, säger Sebastian Sobek.

Med hjälp av den nya metoden har forskarna kunnat provta över hundra sedimentproppar under olika växter och på olika vattendjup i Paddeborgsparken och i dammarna i Örsundsbro.

Utöver inlagringen av kol mäts även utsläpp av växthusgaser till atmosfären, både från öppet vatten och direkt från vattenväxter. En slags upp- och nervända hinkar i transparent plast används för att mäta hur halterna av koldioxid och metan vid vattenytan förändras över kort tid.

– För att mäta utsläpp från enskilda växter omsluter vi dem tillfälligt och följer hur gaskoncentrationerna förändras. Det är tekniskt krävande och måste göras snabbt, eftersom växterna reagerar på förändrade förhållanden, till exempel genom att stänga bladöppningarna.

Metoden är alltså tidskrävande och svår att använda i större skala, särskilt i våtmarker med höga växter. Därför har projektet också utvecklat en kompletterande metod baserad på drönarteknik.

– Med hjälp av en större drönare som bär sensorer för koldioxid, metan och lustgas kan vi mäta gasutbytet från hela våtmarken på en gång, inte bara från enskilda punkter.

Genom att flyga drönaren runt våtmarken och samtidigt mäta vindrörelser och gaskoncentrationer kan forskarna sedan beräkna hur mycket växthusgaser som totalt sett avges från systemet under den tid som flygningen pågår.

– Det ger oss en viktig helhetsbild över hur stora utsläppen faktiskt är när man räknar ihop allt, oavsett var växterna står eller hur djupt vattnet är.

Sebastian Sobek berättar också att man använder sig av ytterligare en drönare för att kartlägga växtsamhällenas utveckling över tid med hjälp av högupplösta bilder.

– Med hjälp av att drönaren mäter olika ljusspektrum kan vi följa hur växtsamhällena utvecklas under året, se var olika växter etablerar sig och även fånga förändringar i deras tillväxtstadium, till exempel hur gröna de är eller när de börjar gulna på hösten.

Kontrollerade experiment i växthusmiljö

Utöver fältmätningarna genomförs även experiment i växthus vid Uppsala universitet. Där odlas olika vattenväxter under noggrant reglerade förhållanden, vilket gör det möjligt att isolera och testa specifika hypoteser om hur växternas egenskaper påverkar kolomsättning och utsläpp av växthusgaser.

I experimenten studeras bland annat hur tillväxthastighet, växtens kemiska sammansättning och rotsystemets utformning hänger samman med utbytet av koldioxid och metan.

– I växthuset kan vi verkligen styra förhållandena och testa våra hypoteser på ett väldigt kontrollerat sätt, berättar Sebastian Sobek.

Genom att arbeta med enskilda växter planterade i krukor kan forskarna mäta hur mycket biomassa som byggs upp och hur detta relaterar till samtidiga utsläpp av växthusgaser. Experimenten inomhus är därför ett viktigt komplement till fältstudierna, där många faktorer verkar samtidigt.

– Just eftersom processerna nere i rotzonen är så komplexa är det svårt att förstå dem fullt ut i naturliga miljöer. Med experimenten kan vi i stället fokusera på nettoeffekten av olika växter, tillägger Sebastian Sobek.

Från forskning till praktiska rekommendationer

Efter ett år av fältmätningar, experiment och analyser börjar de första resultaten från CLIMIPHY ta form. Enligt Sebastian Sobek visar analyserna redan att de studerade våtmarkerna fungerar som effektiva kolsänkor, med betydande inlagring av kol i sedimenten, samtidigt som de också släpper ut betydande mängder av metan.

Just nu pågår fortfarande bearbetningen av data om utsläpp av växthusgaser, både från studierna av enskilda växter och från de undersökta våtmarkerna. Resultaten ska presenteras av projektets doktorander och postdoktor vid en större internationell konferens i maj.

Därefter fortsätter projektet. CLIMIPHY befinner sig drygt halvvägs genom den första perioden, och en fortsättningsansökan förbereds.

– Projektets finansiering från Formas är en lite ovanlig modell med fyra plus fyra år. Den långa projektperioden ger oss en unik möjlighet att följa nyanlagda våtmarker under en längre tid och vi vill även titta mer på skötselåtgärder framöver.

I sommar startar även arbetet med en sjörestaurering i Norrtälje kommun, där projektet också kommer att delta på ett hörn.

– Det är ytterligare en restaureringsåtgärd där WRS är med och rådgör. Under och efter restaureringen planerar vi att mäta växthusgasutsläpp med hjälp av drönare.

Den långsiktiga ambitionen är att resultaten från CLIMIPHY ska kunna användas av kommuner, konsulter och markägare vid planering och skötsel av våtmarker och andra restaureringsprojekt.

– Vattenväxterna finns nära de allra flesta vatten. Om vi kan identifiera växter eller växtegenskaper som ger låg metanproduktion och hög kolinlagring kan vi ge konkreta råd om vilka växter man bör gynna. Kunskapen vi tar fram här är relevant långt utanför just restaureringsprojekten, avslutar Sebastian Sobek.

VA-guiden kommer att fortsätta följa projektet CLIMIPHY och de resultat som presenteras framöver.