Spurengasemissionen aus Mooren

Auswirkung langfristiger Vernässung auf den Kohlenstoffkreislauf und die Klimawirkung eines nördlichen Hochmoores (Ontario, Kanada)

  • Luther Bog Fotos

    Hintergrund

    Die Moore der temperierten und borealen Zone stellen global einen der wichtigen Kohlenstoffspeicher und eine wesentliche Methanquelle dar. Die Auswirkung von langfristigen Klimaänderungen auf den Kohlenstoffhaushalt dieser Systeme ist daher von erheblichem wissenschaftlichem Interesse. Wissensdefizite bestehen hinsichtlich der Auswirkung eines zukünftig niederschlagsreicheren Klimas, sowie der Vernässung der Systeme durch Aufstauung der entwässernden Fließgewässer. Wir werden diese Forschungsdefizite mit Hilfe von Untersuchungen in einem kanadischen Hochmoorkomplex (Luther Bog, Ontario), der in Teilbereichen durch Anlage eines Stausees seit 60 Jahren vernässt wird, adressieren.

    Vorarbeiten zeigen, dass in diesem Moor sowohl Langzeiteffekte von ausschließlich feuchteren Wintern, als auch von feuchteren Wintern und trockeneren Sommern beobachtet werden und gegen Referenzstandorte abgeglichen werden können. Es ist das übergeordnete Ziel dieses Vorhabens die Auswirkung dieser veränderten Umweltbedingungen, die sich mit Klimaprognosen decken, auf den Kohlenstoffkreislauf zu identifizieren und zu quantifizieren. Die spezifischen Ziele des Projektes sind:

    • eine atmosphärische Kohlenstoffbilanz für vier Bereiche zu erstellen, die sich hinsichtlich des Vernässungsregimes unterscheiden und die Effekte auf die Teilprozesse der C Flüsse, C Festlegung und das Treibhausgaspotential der Gasemissionen zu quantifizieren,
    • die Auswirkung auf den potentiellen und in situ Abbau des Torfes und seine chemische Beschaffenheit zu identifizieren,
    • die Auswirkung auf die mikrobielle und pflanzenabhängige Atmung zu separieren,
    • eine veränderte Temperaturabhängigkeit der wichtigsten Prozesse im Kohlenstoffkreislauf aufgrund der Vernässung zu bestimmen.

    Über die Bedeutung der empirischen Befunde hinaus wird das Vorhaben auch eine Grundlage für die Ökosystemmodellierung der Effekte eines nasseren Klimas legen. Mit dem Vorhaben werden wir die Hypothesen testen, dass nassere Bedingungen zu einer verstärkten Festlegung von Kohlenstoff und zu einer verstärkten Emission von Methan führen, die auch mit Veränderungen in den Vegetationsgemeinschaften zusammenhängen. Wir erwarten ferner, dass der klimatische Erwärmungseffekt des veränderten Gasaustauschverhaltens auf dem Zeitmaßstab von 100 Jahren überwiegt. Eine weitere erwartete Konsequenz der verstärkten Festlegung von organischer Substanz ist der Aufbau größerer potentiell labiler Kohlenstoffspeicher die aufgrund ihrer hydrologischen Eigenschaften sensitiv gegenüber zukünftigen Klimaänderungen sein werden.

  • Kammermessung im Luther Bog
    Diagramm: Produktionsrate Methan und C02

    Methoden

    Im Projekt wird ein breites Spektrum an Methoden angewandt, das neben Messungen und Experimenten im Feld auch Laboranalysen umfasst. Die Untersuchungen werden im Wesentlichen an vier Standorten innerhalb des Luther Moorkomplexes durchgeführt. Dazu sind umfangreiche Feldarbeiten von März 2014 bis September 2015 geplant.

    Ein Schwerpunkt der Arbeiten ist die Quantifizierung von Kohlendioxid- und Methanflüssen mit Hilfe von Kammermessungen und einem modernen Los Gatos Ultraportable Greenhouse Gas Analyzer und Multi-Ventilsystem durchgeführt. Diese Arbeiten werden jeweils an 12 Punkten an 4 Standorten unterschiedlicher hydrologischer Dynamik durchgeführt. Zusätzliche Messungen werden im Luther Lake und Wylde Lake mit Hilfe von Kammermessungen und Gradientenmethoden durchgeführt.  Ferner werden Bodengaskonzentrationen mit Hilfe von Gassammlern und gaschromatographischen Analysen quantifiziert und bodenphysikalische Parameter mit Hilfe von FDR (Function Domain Reflectory, ECH2O EC-5, Decagon Devices) und Temperatursensoren (TMC6-HD, HOBO) jeweils in mehreren Bodentiefen aufgezeichnet. Die atmosphärischen Bedingungengen (Temperatur, photosynthetisch aktive Strahlung, Luftfeuchte und Windgeschwindigkeiten) werden mit einer Wetterstation vor Ort aufgezeichnet (Onset HOBO U30-NRC Weather Station Starter Kit- U30-NRC-SYS-B).

    Zur Aufklärung der Veränderungen in der Balance zwischen anaerober Bodenatmung, Methanbildung und Methanoxidation, sowie den Methanemissionen werden 13C Analysen in CO2, CH4 und gelöster organischem Kohlenstoff (DOC) eingesetzt und Konzentrationsprofile im Boden sowie emittiertes Gas untersucht. Hierzu steht ein CRDS Analyzer für die Isotopenzusammensetzung in CO2 und CH4  zur Verfügung (PICARRO, G2201-i.), der an ein TOC Analysator gekoppelt ist. Um Veränderungen in der Aktivität und der Verteilung von Wurzelbiomasse entlang des hydrologisch-ökosystemaren Gradienten kommen 13C-Markierungsansätze zum Einsatz.  Zur Charakterisierung der bodenorganischen Substanz werden Inkubationsansätze genutzt um die bodenbiologische Aktivität und Abbaubarkeit zu ermitteln. Spektroskopische Methoden wie die Infrarotspektroskopie und Fluoreszenzspektroskopie werden eingesetzt um die chemische Natur der Torfe aufzuschlüsseln.

    Zudem werden Fernerkundungsmethoden eingesetzt um die räumliche Verteilung von Vegetations- und morphologischen Einheiten zu quantifizieren und Flussdaten in die Fläche zu extrapolieren.

    Durch die Kopplung von Bilanzierungs- und mechanistischen Untersuchungsansätzen ist geplant die Befunde kausalanalytisch zu deuten und so einer Verallgemeinerung potentiell zugänglich zu machen.

  • Studierende

    Abschlussarbeiten

    Im Sommer 2014 werden zwei Masterarbeiten und eine Bachelorarbeit am Standort durchgeführt. Diese befassen sich (a) der Abbaubarkeit und der chemischen Qualität des Torfes entlang des hydrologischen und Vegetationsgradienten (M.Sc. Kandidatin Marie Goebel und B.Sc. Kandidatin Cornelia Mesmer) und (b) mit der Quantifizierung des Gasaustausches und den Stoffumsetzungen in angrenzenden natürlichen Teichsystemen sowie Luther Lake (M.Sc. Kandidatin Magdalena Burger). 
    Im Sommer 2014 und 2015 besteht die Möglichkeit weitere Abschlussarbeiten innerhalb des Projektes durchzuführen. Mögliche Themen umfassen:

    • die Kartierung der Vegetationsmuster und Biomasse sowie die Bestimmung von Elementgehalten in ausgewählten Pflanzenarten und ihre geostatistische Darstellung und Verknüpfung mit vorhandenen Fernerkundungsdaten,
    • die Analyse Auswirkung der Mikrotopographie auf die Beschaffenheit und Abbaubarkeit der organischen Substanz,
    • die Analyse der Wurzelaktivität mit Hilfe von 13C Isotopenexperimenten und Bodengasprofilen,
    • die Analyse von Boden- und Grundwasserfließmustern.

    Bei Interesse – auch für eine Mitarbeit als studentische Hilfskraft – erteilen Prof. Dr. Christian Blodau und Dr. Sina Berger gerne Auskunft.

  • Info

    Projektpartner und Kontakt

    Universität Münster
    Institut für Landschaftsökologie, Arbeitsgruppe Hydrologie
    Projektleitung: Prof. Dr. Christian Blodau
    Wissenschaftlicher Mitarbeiterin:  Dr. Sina Berger

    University of Guelph
    School of Environmental Sciences
    Kooperationspartnerin: Prof. Dr. Claudia Wagner-Riddle [en]

    Luther Marsh [en]

    Laufzeit und Förderung:

    Laufzeit: 10/2013 - 09/2016
    Gefördert durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG).

  • News

    Instrumentierung: Im Oktober/November 2013 wurde den Standorte Luther Bog mit Stegen und Holzplattformen instrumentiert (siehe Bilder).

    Konferenz:  Im Juli 2013 wurden Ergebnisse aus Vorstudien zum Projekt auf der SEFS Symposium for European Freshwater Sciences von Prof. Dr. Christian Blodau unter dem Thema “Impact of long-term flooding on the hydrology and biogeochemistry of a northern bog in Ontario, Canada“ vorgestellt.

  • Bilder