ETRACA: Energie- und Transportlimitierung der Kohlenstoffsequestration

Steuern Energie-, Wasser- und Gastransport die Kohlenstoffsequestration und Methanbildung in anoxischen Moorböden? - Überprüfung einer neuen Hypothese.

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  Hintergrund

  Die Moore der temperierten und borealen Zone stellen global einen der wichtigen Kohlenstoffspeicher und eine wesentliche Methanquelle dar. Die Auswirkung von klimatisch bedingten hydrologischen Änderungen auf den Kohlenstoffhaushalt dieser Systeme und die zugrundeliegenden biogeochemischen Mechanismen sind daher von erheblichem wissenschaftlichem Interesse. Wissensdefizite bestehen vor allem hinsichtlich der Auswirkung veränderter Transportraten von Wasser, gelösten Stoffen und Gasen auf die Methanbildung und den anaeroben Abbau organischer Substanz. Beide Prozesse sind für kurz- und langfristige Treibhausgasbilanzen entscheidend. Wir bearbeiten diese Forschungsdefizite mit Hilfe von Labormodelsystemen, in denen geochemische Bedingungen und Transportraten gezielt variiert und die Auswirkung auf methanbildende Abbauprozesse identifiziert werden.

  Vorarbeiten zeigen, dass es in Abwesenheit von Wassertransport zu einer Inaktivierung des methanbildenden Abbaus organischer Substanz kommen kann; die systematische Untersuchung der Auswirkungen erhöhter Transportraten und die kausalanalytische Deutung der Befunde ist jedoch dringend geboten. Es ist das übergeordnete Ziel dieses Vorhabens den Zusammenhang zwischen methanbildenden Abbauprozessen, antreibender Energie und Wasserflüssen aufzuklären. Die spezifischen Ziele des Projektes sind:

  • zu überprüfen, ob die Akkumulation von Kohlendioxid und Methan in wassergesättigten, schwer abbaubaren Torfen zu einer Inhibierung des methanbildenden Torfabbaus führt und kausalanalytisch herauszuarbeiten ob dieser Effekt auf einen Mangel an freier Energie zurückzuführen ist,
  • zu bestimmen, in welchem Maße geochemische und physikalische Faktoren die produktinduzierte Inhibierung des Torfabbaus beeinflussen. Zu diesen Faktoren zählen die Temperatur, die Bodenazidität, die chemische Beschaffenheit der Torfe und die Anwesenheit von Oxidationsmitteln,
  • zu identifizieren, in welchem Maße die Aktivität von Enzymen, die den Torfabbau einleiten, von Produktakkumulation und geochemischen Faktoren kontrolliert wird,
  • quantitativ herauszuarbeiten wie der Torfabbau von Lösungs- und Gastransport gesteuert wird,
  • zu ermitteln ob die Aufenthaltszeiten von Wasser in Torfböden zur Vorhersage der Geschwindigkeit des Torfabbaus genutzt werden können.

  Über die Bedeutung der empirischen Befunde hinaus wird das Vorhaben eine Grundlage für eine Verbesserung bestehender Modelle des Kohlenstoffkreislaufs in Moorökosystemen ermöglichen. Dies ist erforderlich um Effekte eines zukünftig nasseren Klimas in diesen wichtigen Umweltsystemen vorherzusagen.

  Referenzen

  • Beer, J., Blodau, C., 2007. Transport and thermodynamics constrain belowground carbon turnover in a northern peatland. Geochimica et Cosmochimica Acta 71, 2989-3002.
  • Belyea, L.R., Baird, A.J., 2006. Beyond "The limits to peat bog growth'': Cross-scale feedback in peatland development. Ecological Monographs 76, 299-322.
  • Clymo, R.S., 1984. The limits to peat bog growth. Phil. Trans. R. Soc. London B 303, 605-654.
  • Gorham, E., 1991. Northern Peatlands: Role in the carbon cycle and probable responses to climatic warming. Ecological Applications 1, 182-195.
  • Kivinen, E., Pakarinen, P., 1981. Geographical distribution of peat resources and major peatland complex types in the world. Ann. Acad. Sci. Fenn. Ser. A. 32, 1-28.
  • Limpens, J., Berendse, F., Blodau, C., Canadell, J.G., Freeman, C., Holden, J., Roelet, N.T., Rydin, H., Schaepman-Strub, G., 2008. Peatlands and the carbon cycle: from local processes to global implications- a synthesis. Biogeosciences 5, 1475-1491.
  • Mikaloff Fletcher, S.E., Tans, P.P., Bruhwiler, L.M., Miller, J.B., Heimann, M., 2004. CH4 sources estimated from atmospheric observations of CH4 and its C-13/C-12 isotopic ratios: 1. Inverse modeling of source processes. Global Biogeochemical Cycles 18, GB4004, doi:10.10292004GB002223.
  • Urban, N.R., Bayley, S.E., Eisenreich, S.J., 1989. Export of dissolved organic carbon and acidity from peatlands. Water Resources Research 25, 1619-1628.
  • Yu, Z., 2011. Holocene carbon flux histories of the world's peatlands: Global carbon cycle implications. The Holocene 21, 761-774.

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  Methoden

  Im Projekt werden Labormodellsysteme verschiedener Komplexität verwendet um die Steuerung des Abbaus organischer Substanz zu analysieren, insbesondere Säulen- und Mesokosmenexperimente, sowie Inkubationsexperimente. Auf diese Weise können hydrologische und Konzentrationsbedingungen kontrolliert und gesteuert werden und Massenbilanzen und Umsatzraten für die untersuchten Torfe errechnet werden. Um die hydrologischen und geochemischen Einflussfaktoren zu isolieren, werden Transportraten an gelösten Stoffen in Säulenversuchen gezielt variiert, beispielsweise durch Einstellung von advektivem Wasser- und Gastransport, sowie durch sauerstoffhaltige und -freie Gasatmosphären am oberen Rand der verwendeten Säulen (siehe Bilder).  

  In der Analytik werden eine Vielzahl von Methoden eingesetzt, von denen hier nur einige exemplarisch genannt werden. Ein Schwerpunkt der Arbeiten ist die Quantifizierung von Kohlendioxid- und Methanumsätzen sowie -flüssen mit Hilfe von Konzentrationsmessungen und Kammermessungen. Bodengaskonzentrationen werden mit Hilfe von Gassammlern und gaschromatographischen Analysen und nichtinvasiven optischen Techniken quantifiziert und freie Gaskonzentrationen im Boden mit Hilfe von FDR (Function Domain Reflectory, ECH₂O EC-5, Decagon Devices) aufgezeichnet.  Zur Aufklärung der Veränderungen in der Balance zwischen anaerober Bodenatmung, Methanbildung und Methanoxidation, sowie den Methanemissionen werden ¹³C-Analysen in CO₂, CH₄ und gelöstem 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.  Zur Charakterisierung der Bioenergetik der Stoffumsetzungen bodenorganischen Substanz werden zusätzlich molekularer Wasserstoff im Spurenbereich (Ametek Trace Analytical TA 3000R), sowie organische Produkte der Fermentation mit Hilfe der Ionenchromatographie (Metrohm) analysiert. Inkubationsansätze werden genutzt um die bodenbiologische Aktivität und Einfluss geochemischer Faktoren auf die Aktivität zu isolieren. Spektroskopische Methoden wie die Infrarotspektroskopie und Fluoreszenzspektroskopie werden eingesetzt um die chemische Natur der Torfe näher zu charakterisieren.

• Studierende

  Abschlussarbeiten:

  In 2013 wurde bereits eine Diplomarbeit im Projekt durchgeführt (Frederik Bock) mit dem Ziel, das experimentelle Säulensystem zu testen und Vorinformation zum Einfluss der Advektions- und Gastransportrate auf den Stoffumsatz zu ermitteln.
  Im Sommer 2014 und 2015 besteht die Möglichkeit, Abschlussarbeiten innerhalb des Projektes durchzuführen. Mögliche Themen umfassen:

  • die Steuerung des Torfabbaus in Mooren durch Akkumulation von Abbauprodukten und geochemische Bedingungen wie Sauerstoffgehalt und pH-Werten. Hierbei werden Mikrokosmen (Inkubationsansätze) verwendet.
  • Die Steuerung von Enzymaktivitäten in Torfen in Abhängigkeit von geochemischen Bedingungen. Hierbei werden ebenfalls Mikrokosmen (Inkubationsansätze) verwendet.
  • Die Anwendung und Weiterentwicklung eines Simulationsmodells zum anaeroben Abbau der organischen Substanz in Mooren. Hierbei wird die Simulationssoftware STELLA eingesetzt.

  Bei Interesse – auch für eine Mitarbeit als studentische Hilfskraft – erteilen Prof. Dr. Christian Blodau und Simona Bonaiuti.

• Infothek

  Projektpartner und Kontakt

  Universität Münster
  Institut für Landschaftsökologie, Arbeitsgruppe Hydrologie

  Projektleitung: Prof. Dr. Christian Blodau
  Wissenschaftlicher Mitarbeiterin:   Simona Bonaiuti
  
  Laufzeit: von 10/2013 bis 09/2016
  Förderung: Gefördert durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG).

• News

  Instrumentierung: In 2013 wurde eine Säulenversuchsanlage aufgebaut und erprobt.