DAAD –  Kohlenstoff und Moore

Auswirkung von langfristig trockeneren und nasseren Bedingungen und Vegetationsänderungen auf den C Kreislauf in nördlichen Mooren

  • Hintergrund

    Moore stellen global einen wichtigen Kohlenstoffspeicher und eine wesentliche Methanquelle dar. Die Auswirkung von Klimaänderungen auf ihren Kohlenstoffhaushalt ist von wissenschaftlichem Interesse. Wissensdefizite bestehen hinsichtlich der langfristigen Auswirkung eines regional entweder sommertrockeneren oder niederschlagsreicheren Klimas. Wir adressieren diese Forschungsdefizite in einer Kooperation mit Kollegen der McGill University, Montreal, an kanadischen Hochmoorkomplexen die in Teilbereichen seit 90 Jahre drainiert, bzw. seit 60 Jahren vernässt werden. Vorarbeiten zeigen, dass dort Langzeiteffekte von trockeneren und feuchteren Bedingungen identifiziert werden können. Die Ziele des Projektes sind:

    • mit Hilfe der biogeochemischen Ökosystemmodellierung eines in der deutsche Arbeitsgruppe entwickelten Modells (PEATBOG) Schwellenwerte der Austrocknung und Vernässung zu identifizieren, an denen sich Vegetationszusammensetzung und Kohlenstoffhaushalt langfristig und nachhaltig ändern. Hierzu ist es geplant Bäume als neue funktionelle Gruppe neben Gräsern, Sträuchern und Moosen in das Modell zu integrieren,  
    • die empirischen Daten zu hydrologischen Bedingungen, Kohlenstoffflüssen und Vegetationszusammensetzung an den zwei Standorten zu gewinnen, die für die Validierung des Modells erforderlich sind,
    • spezifische mikrobielle Inhibitionen in den ausgetrockneten Standorten zu identifizieren, die zu dramatisch veränderten Methanemissionen führen und diese auf größerer räumlicher Skala zu bewerten. 

    Um diese Ziele zu erreichen sind Aufenthalte von Wissenschaftlern und Masterstudierenden bei den Kooperationspartnern erforderlich, in denen Zielstellung und Umsetzung diskutiert und implementiert werden und zu denen die Kooperationspartner inhaltliche und logistische Unterstützung und Infrastruktur beitragen. Diese Aufenthalte, die im Rahmen des Projektes durch den DAAD finaziert werden, werden durch institutseigene Sachmittel ergänzt. Es ist zu erwarten, dass das Vorhaben einen Beitrag zum Verständnis sprunghafter Änderungen im globalen Kohlenstoffhaushalt in einem zukünftigen Klima leistet.

  • Untersuchungstransekt im östlichen Teil des Moores
    Abbildung 1: Untersuchungstransekt im östlichen Teil des Moores Mer Bleue bei Ottawa, Ontario, sowie Google Earth Image, dass die ausgelöste Vegetationsänderung westlich und östlich eines Entwässerungsgrabens, sowie die scharfen Vegetationsgradienten im Untersuchungsgebiet illustriert.
    Luftbild des Untersuchungsgebiets Luther Bog
    Abbildung 2: Untersuchungsgebiet Luther Bog, ca. 120 km nordwestlich von Toronto. Das Bild zeigt den entstandenen Vegetationsgradienten, sowie bestehende Untersuchungsfelder für Spurengasmessungen, sowie kumulative Methanemissionen an diesen Standorten. Es ist geplant weitere Untersuchungen an hydrologischen und Vegetationsgradienten, beispielsweise in der Umgebung von Standort 4 (site 4) durchzuführen.

    Methoden

    Die Analyse langfristiger Veränderungen von Spurengasemissionen durch Vernässung und Austrocknung und folgenden Vegetationswechsel soll mit Hilfe des Simulationsprogrammes PEATBOG erfolgen, das bereits für den Standort Mer Bleue bei Ottawa parametrisiert worden und zur Deutung der Auswirkung von Stickstoffdeposition genutzt worden ist (Wu and Blodau, 2013). Das Modell ist in Stella© implementiert und berechnet auf einem täglichen Zeitschritt Kohlenstoff und Stickstoffspeicher in Blättern, Spross, und Wurzelbiomasse von drei pfanzenfunktionellen Gruppen (Moose, Gräser und Sträucher), sowie in labiler und schwer abbaubarer bodenorganischer Substanz und in der gelösten Phase. Es basiert auf Massenbilanzprinzipien und betont das Wechselspiel zwischen Produktion, Verbrauch und Transport von Stoffen im Ökosystem.
    Eine Folge von Vernässung und Austrocknung sind Veränderungen im Auftreten von Gräsern und Bäumen, die zu wesentlichen Änderungen im Kohlenstoffkreislauf führen. Um diese Veränderungen verstehen und prognostizieren zu können ist geplant Bäume in einer erweiterten Version des Modells PEATBOG zu implementieren.    
    Um empirische Daten zur Anwendung des Modells bereitzustellen, ist ferner geplant hydrologische Gradienten am Standort Mer Bleue und am Standort Luther Bog (Ontario) zu nutzen, die schon Gegenstand früherer Untersuchungen der Arbeitsgruppe waren. An den Standorten wurden über Entwässerung (Mer Bleue) oder über Ausbau eins Stausees (Luther Bog) über Jahrzehnte nassere Bedingungen induziert, die entsprechende Änderungen in Hydrologie und Vegetation hervorgerufen haben (cf. Kopp et al. 2013)
    An diesen Standorten sollen in 2014 und 2015 Gasflussmessungen und Inkubationsexperimente durchgeführt werden, die sich auf Vegetationübergänge konzentrieren. Diese Messungen werden durch bodenphysikalische und hydrologische Messungen ergänzt. Es ist ferner geplant spezifische Inhibtionen der Methanbildung die am Standort Mer Bleue unter Wald auftreten (Minderlein and Blodau, 2010), durch weitere Inkubationsexperimente zu untersuchen.

    Literatur

    • Wu, Y.; Blodau, C. (2013): PEATBOG: A biogeochemical model for analyzing coupled carbon and nitrogen dynamics in northern peatlands. Geoscientific Model Development 6, 1173-120
    • Kopp, B.; Fleckenstein, J.H.; Roulet, T.R.; Humphreys, E.; Talbot, J.; Blodau, C. (2013): Impact of long-term drainage on groundwater flow patterns in the Mer Bleue peatland, Ontario, Canada. Hydrology and Earth System Science 17,3485–3498, 2013.
    • Minderlein, S., Blodau, C. (2010): Humic-rich peat extracts inhibit sulfate reduction, methanogenesis, and anaerobic respiration but not acetogenesis in peat soils of a temperate bog, Soil Biology and Biochemistry, 42(12), 2078-2086

  • Studierende

    Abschlussarbeiten

    Für den Sommer 2015 werden Kandidaten für Abschlussarbeiten innerhalb des Projektes gesucht. Mögliche Themen umfassen:

    • die Anwendung und Weiterentwicklung des Modells PEATBOG zur Simulation der Austrocknung und Vernässung von Mooren. Hierzu ist gegebenenfalls eine Aufenthalt in Kanada bei Projektpartner Dr. Yuanqiao Wu in Toronto erforderlich,
    • die Quantifizierung von Spurengasaustausch und Bodenatmung mit Hilfe von Kammermessungen und Inkubationsversuchen, sowie der Gaschromatographie. Hierzu ist ein Aufenthalt beim Kooperationspartner (Prof. Tim Moore) an der McGill University in Montreal erforderlich,
    • die Identifizierung von Faktoren, die zur Inhibierung der Methanbildung am Standort Mer Bleue führen. Zu diesem Zweck sind Inkubationsexperimenten mit Torfen und Bodenlösungen des Standortes erforderlich.  

  • Infothek

    Projektpartner und Kontakt

    Universität Münster
    Institut für Landschaftsökologie, Arbeitsgruppe Hydrologie
    Projektleitung: Prof. Dr. Christian Blodau, Dr. Yuanqiao Wu (nun bei Environment Canada)

    McGill University, Montreal, Kanada
    Department of Geography
    Prof. Dr. Tim Moore [en]

    Laufzeit und Förderung
    Laufzeit: 01/2014 - 12/2015
    Gefördert durch den Deutschen Akademischen Austauschdient (DAAD).