Effects of permafrost thaw on the global nitrogen cycle: the role of thermokarst systems

Description du projet

L’importance du pergélisol affecté par le thermokarst dans le cycle global de l’azote

Les changements planétaires modifient le climat des régions arctiques, où les températures ont augmenté plus rapidement que partout ailleurs. En effet, ces régions stockent de grandes quantités de matière organique du sol (MOS) dans le pergélisol qui, lorsqu’il dégèle, libère rapidement des nutriments et des gaz à effet de serre. Le dégel donne lieu à des processus thermokarstiques qui se produisent brusquement, entraînant l’effondrement de la surface du sol et le développement d’écosystèmes (étangs et lacs) où les environnements anaérobies favorisent l’activité microbienne. Avec le réchauffement de l’Arctique, le dégel du pergélisol et les processus thermokarstiques vont s’intensifier, libérant de l’azote (N) soluble dans l’environnement et accélérant ainsi la décomposition microbienne du MOS. Le projet NITROKARST, financé par l’UE, explorera les mécanismes sous-jacents du cycle de l’azote dans les systèmes thermokarstiques, en examinant comment les voies microbiennes favorisent la transformation de l’azote et comment le dégel contrôle le fonctionnement de ces processus.

Objectif

Global change leads modifications in climate on Arctic regions, where temperatures have risen faster than in any other region on Earth. Those regions store vast amounts of soil organic matter (SOM) in permafrost soils, covering ~25% of terrestrial surface. When they thaw, it leads to rapid release of nutrients and greenhouse gases (GHG). So far, many studies have addressed the importance of permafrost thaw in the carbon cycle. However, little attention has been paid to the nitrogen (N) cycle, despite nitrous oxide (N2O) is a powerful GHG, an ozone-depleting agent and may create an unaccounted permafrost-climate feedback.

Permafrost with low ice content suffers a gradual top-down thawing process during seasonal freeze-thaw period. However, thaw of ice-rich permafrost results in thermokarst processes, which occur abruptly and lead to ground surface collapse. Its widespread occurrence affects large areas (~40% of the northern permafrost region) contributing to develop ecosystems like ponds and lakes. In such ecosystems, the presence of anaerobic environments enhances microbial activity. As Arctic warms, permafrost thaw and thermokarst processes will increase, releasing soluble N into the environment and enhancing microbial decomposition of SOM.

Hence, mineralization, nitrification and denitrification rates are expected to increase, and thus, N2O emissions to the atmosphere. Unfortunately, the impact of permafrost thaw on N cycling remains understudied, and almost unknown in thermokarst systems.
NITROKARST will explore the underlying mechanisms of the N cycle in thermokarst systems, looking at how microbial pathways promote N transformation and how thawing controls the operation of these processes. N cycling will be studied along a thermokarst transect by combining isotope tracing, metagenomics and microcosm incubations. This multidisciplinary approach will increase our knowledge about the importance of thermokarst-affected permafrost soils in the global N cycle.