Impact of extreme hydrological conditions on belowground carbon cycling and redox dynamics in peat soils from a northern temperate fen

Einfluss hydrologischer Extrembedingungen auf den Kohlenstoffumsatz und die Redoxdynamik in Torfböden eines Moores in den nördlichen, gemäßigten Breiten

Peatlands have an important role in the global carbon cycle and constitute the largest pool of carbon stored in terrestrial ecosystems due to their disproportionally high areal soil carbon density. This globally relevant carbon stock is the result of a process mostly initiated after the last glaciation period. A key factor for this long term carbon accumulation is the relative low decomposition of organic matter in these predominantly water logged ecosystems. Hydrological conditions play thus a Peatlands have an important role in the global carbon cycle and constitute the largest pool of carbon stored in terrestrial ecosystems due to their disproportionally high areal soil carbon density. This globally relevant carbon stock is the result of a process mostly initiated after the last glaciation period. A key factor for this long term carbon accumulation is the relative low decomposition of organic matter in these predominantly water logged ecosystems. Hydrological conditions play thus a fundamental role in peatlands and the feedback of carbon cycling in these ecosystems in response to climate change is under debate. Peatlands are important CO2 sinks but also constitute global sources of CH4. The atmospheric exchange and production rates of these greenhouse gases are strongly influenced by the hydrological regime. An increased frequency of extreme meteorological conditions resulting in drying and flooding events is predicted to occur in the future. The major issue regarding the climate change debate at the global scale is how rapid these greenhouse gases are being released to the atmosphere. Despite the general consensus regarding the broad effects of drying and flooding on CO2 and CH4 exchange, belowground processes producing such greenhouse gases and their response to water table dynamics is underrepresented and usually simplified or overgeneralized. Temperature, moisture, oxygen content and nutrient content are among the major environmental controls for organic matter decomposition rates in peat soils. Another important and intrinsic control is peat quality or humification degree of organic matter. The interrelation and relevance of all these factors vary among sites and with hydrological condition in a temporal and spatial scale. This work presents investigations focusing on belowground redox processes aiming to witness the dynamic interrelation of soil physical and chemical (soil gas and pore water chemistry) variables, and evaluates the relevance of some controls of organic matter decomposition during a wide range of hydrological conditions. Most of this work shows information under in situ conditions and complementary laboratory experiments were performed minding the in situ observations. The findings contribute to general knowledge by providing raw data in fen peats under fluctuating and contrasting water table conditions in a relatively high spatiotemporal resolved scale. Dryings led to increased air filled porosity, O2 intrusion, CO2 degassing, inhibition of methanogenesis and renewal of electron acceptors. The opposite trend occurred upon rewetting with pulses of iron and sulphate reduction and delayed methane production to a variable extent. Upon flooding, continued anaerobic conditions stimulated the accumulation of reduced products, methanogenic precursors (acetate and hydrogen) and CH4. The general assumption that the water table directly controls the oxygen content in peat was relativized. This work shows that such relation is greatly influenced by peat physical properties, which partially control the changes in moisture. Based on these findings, the mineral content and the degree of compaction in organic soils can be implemented to more accurately represent the dynamics of aeration in peats upon water table changes. Another general assumption is that drying events, i.e. temporary decline of water table below mean position, lead to increased CO2 production and emission from peat soils to the atmosphere. Such statement was also relativized and must account for the depth distribution of respiration rates in relation to the mean water table of the peat deposit. Based on these findings, the high relative contribution of upper peat layers already exposed above the water table mask the effects of increased CO2 production in deeper peat upon water table drop. Additionally, the role of moisture was shown to be little for aerobic respiration. This work also evaluates the importance of drought severity by accounting for the post drought effects on methane production. More intense and prolonged drying events led to a greater regeneration of electron acceptors in peat soil, which broadly suppressed or limited methane production upon rewetting. This relation was not simple and several factors such as water table position, post drought water table fluctuations, temperature and organic matter content contributed to the recovery of methane production after drying. The provision of substrates by fermentation processes limited peat respiration during shallow water table and drying. In contrast, accumulation of acetate and hydrogen was observed during flooding indicating a decoupling of fermentation from terminal metabolism and favouring the co-occurrence of iron reduction, sulphate reduction and methanogenesis. show moreshow less
Moore spielen eine wichtige Rolle im globalen Kohlenstoffkreislauf und stellen mit ihrer überproportional hohen Kohlenstoffspeicherung pro Fläche den größten terrestrischen Kohlenstoffspeicher dar. Dieser bedeutende Speicher wurde zumeist erst nach der letzten Eiszeit aufgebaut. Ein Schlüsselfaktor für die Langzeitspeicherung des Kohlenstoffs ist dabei die vergleichsweise langsame Zersetzung des organischen Materials in diesen zumeist wassergesättigten Ökosystemen. Die Hydrologie spielt somit eiMoore spielen eine wichtige Rolle im globalen Kohlenstoffkreislauf und stellen mit ihrer überproportional hohen Kohlenstoffspeicherung pro Fläche den größten terrestrischen Kohlenstoffspeicher dar. Dieser bedeutende Speicher wurde zumeist erst nach der letzten Eiszeit aufgebaut. Ein Schlüsselfaktor für die Langzeitspeicherung des Kohlenstoffs ist dabei die vergleichsweise langsame Zersetzung des organischen Materials in diesen zumeist wassergesättigten Ökosystemen. Die Hydrologie spielt somit eine bedeutende Rolle für Moore und mögliche Auswirkungen des Klimawandels auf den Kohlenstoffkreislauf in Mooren werden daher diskutiert. Moore sind einerseits wichtige CO2-Senken, andererseits stellen sie eine bedeutende Quelle für CH4 dar. Die Produktion und der Austausch dieser Treibhausgase mit der Atmosphäre werden maßgeblich durch die hydrologischen Randbedingungen gesteuert. Diese Randbedingungen werden sich der Vorhersage nach in der Zukunft ändern, hin zu häufigeren Extremwetterbedingungen, die eine Zunahme von Austrocknungs- und Überflutungsereignissen zur Folge haben. Ein Hauptgegenstand der Debatte des Klimawandels liegt in der Vorhersage, mit welchen Raten die Treibhausgaskonzentrationen in der Atmosphäre ansteigen. Trotz eines Konsenses über die generellen Effekte der gegensätzlichen hydrologischen Bedingungen Austrocknung und Überflutung auf die CO2 und CH4 Flüsse, sind doch die zugrundeliegenden Prozesse im Boden und ihre Reaktion auf Wasserspiegelschwankungen nur unzureichend berücksichtigt und werden meist nur vereinfacht oder generalisiert dargestellt. Temperatur, Feuchte, Sauerstoff- und Nährstoffgehalt stellen die wichtigsten Einflussfaktoren für die Zersetzung organischen Materials in Torfen dar. Ein weiterer wichtiger, intrinsischer Faktor liegt in der Torfqualität oder der Humifizierung des organischen Materials. Die Zusammenhänge und jeweilige Relevanz dieser Einzelfaktoren mögen stark unterschiedlich sein, je nach Standort und hydrologischen Bedingungen, sowohl zeitlich als auch räumlich. Diese Arbeit fokussiert auf die Untersuchung der Prozesse im Torfprofil, unter der Bodenoberfläche, und betrachtet die Relevanz der Steuerungsfaktoren der Zersetzung organischer Substanz unter einer weiten Spanne hydrologischer Bedingungen. Ein Großteil der Arbeit beruht auf in-situ Prozessbeobachtungen und komplementären Laborexperimenten unter Berücksichtigung dieser in-situ Beobachtungen. Die Arbeit trägt damit zum generellen Verständnis der Redoxprozesse und dynamik bei und liefert dazu physikalische und chemische (Bodengase und Porenwasserchemie) Rohdaten aus Niedermoortorfen unter fluktuierenden und kontrastierenden Wasserspiegel-bedingungen – in zeitlich und räumlich vergleichsweise hoher Auflösung – zur Verfolgung der dynamischen Interaktion der Variablen und Prozesse. Austrocknungsereignisse führten zum Anstieg des luftgefüllten Porenraums, Sauerstoffeindringtiefe, CO2-Ausgasung, Inhibierung der Methanogenese und zur Erneuerung der Elektronenakzeptorpools. Gegensätzliche Abläufe konnten nach der Wiederbefeuchtung beobachtet werden; es kam zu Pulsen in der Eisen- und Sulfatreduktion, die mit verschiedener Intensität die Methanproduktion unterdrückten und verzögerten. Nach experimenteller Flutung der Fläche führte die anhaltende anaerobe Respiration zur Akkumulation der reduzierten Endprodukte, der Edukte der Methanogenese (Acetat und H2), sowie von CH4. Die generelle Annahme, dass der Wasserspiegel direkt die Sauerstoffverfügbarkeit im Torf kontrolliert, muss relativiert werden. Die Beziehung Wasserspiegel – Sauerstoffeindringtiefe wurde stark durch Torfmatrixeigenschaften überprägt, da diese Eigenschaften auch maßgeblich die Wassergehaltsänderungen beeinflussen. Basierend auf den Ergebnissen dieser Studie kann durch Einbeziehen des Gehaltes an mineralischen Komponenten und der Torfkompaktion eine Verbesserung des Verständnisses der Belüftung von Torfen bei Wasserstandsschwankungen erreicht werden. Eine weitere generelle Annahme war bisher, dass Austrocknung (Absenkung des Wasserspiegels) zu einem Anstieg der Respiration und somit der CO2 Emissionen führt. Auch diese Annahme konnte nicht belegt werden; es zeigte sich, dass hierzu eine detaillierte Untersuchung der Respirationsraten im Bezug zur aktuellen Lage des Wasserspiegels notwendig ist. Die Ergebnisse dieser Studie zeigen, dass der dominierende Beitrag der obersten, ungesättigten Torfschichten zur Gesamtrespiration kleinere Änderungen der CO2 Produktion in den tieferen Torfschichten bei Belüftung überdeckt. Außerdem hatte die Bodenfeuchte wenig Einfluss auf die aerobe Respiration. Diese Arbeit belegt außerdem die Wichtigkeit der Intensität einer Austrocknung für die anschließende Dauer der Unterdrückung der Methanogenese nach Wiederbefeuchtung. Stärkere und längere Trockenphasen führten zu einer verstärkten Bereitstellung von Elektronenakzeptoren im Torf, die die Methanogenese unterdrückten. Dieser Zusammenhang war komplex, da sowohl die Position des Wasserspiegels, Wasserspiegelfluktuationen nach Wiederbefeuchtung, Temperatur und auch der Gehalt an organischer Substanz das Einsetzen methanogener Bedingungen beeinflussten. Die Bereitstellung von Substraten durch Fermentation ist für die Respiration limitierend bei normalen Wasserspiegelständen und in Trockenphasen. Im Gegensatz hierzu zeigt sich in der Akkumulation von Acetat und H2 während Überflutungsereignissen eine Entkopplung der Fermentation von der terminalen Veratmung zu CO2 und CH4 und der Substratüberschuss ermöglicht eine räumlich-zeitliche Überlappung von Eisen- und Sulfatreduktion, sowie Methanogenese.show moreshow less

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Metadaten
Institutes:Biologie
Author: Cristian Estop Aragonés
Advisor:Prof. Dr. Christian Blodau
Granting Institution:Universität Bayreuth,Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften
Date of final exam:01.08.2012
Year of Completion:2012
SWD-Keyword:Biogeochemie; Kohlenstoff; Methanproduktion; Moor; Torf
Tag:Drying; Flooding; Peatlands; Rewetting
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik
URN:urn:nbn:de:bvb:703-opus4-10189
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of Publication (online):06.12.2012
Licence (German):License Logokeine Lizenz (Deutsches Urhebergesetz)