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Die Sauerstoffverfügbarkeit im Boden kontrolliert die Emission von Treibhausgasen aus Feuchtgebiets-Ökosystemen
Christian Juncher Jørgensen & Bo Elberling
Fakultät für Geographie und Geologie, Universität Kopenhagen, Dänemark
Sauerstoff (O2) ist einer der wichtigsten Kontrollfaktoren der Biogeochemie von Feuchtlandböden. Seine Verfügbarkeit reguliert sowohl die Produktion als auch den Verbrauch wichtiger Treibhausgase wie Kohlendioxid (CO2), Methan (CH4) und Distickstoffoxid (N2O) im Boden und damit die mögliche Emission dieser Gase in die Atmosphäre. Der Einsatz von chemisch-optischen Sensoren (Diping Probe DP-PSt3), die mit einem Mehrkanal-Sauerstoffmessgerät (OXY-10 mini) von PreSens verbunden waren, ermöglichte zuverlässige Langzeitmessungen in verschiedenen Bodentiefen eines dänischen Sumpfgebietes. Die Ergebnisse zeigten komplexe Interaktionen zwischen täglichen und saisonalen Veränderungen der Verfügbarkeit von O2 und mineralischem Stickstoff.
In Feuchtwiesenböden ist die O2-Verfügbarkeit oft durch hohen Bodenwassergehalt und die Lage des Grundwasserspiegels limitiert. Da nördliche Sumpfgebiete etwa 30 % der weltweiten unterirdischen organischen Kohlenstoffe (C) speichern und als Nettoquellen dieser wichtigen Treibhausgase fungieren, ist detailliertes Wissen über die O2-Verfügbarkeit und die O2-Dynamik im Boden von entscheidender Bedeutung. Damit ließe sich unser Verständnis sowohl der aktuellen Treibhausgasproduktion als auch der Verbrauchsprozesse und Nettoemissionen in die Atmosphäre vertiefen, sowie eine Vorhersage über künftige Veränderungen der Nettoemissionen aus dem Boden in die Atmosphäre treffen. Bis vor kurzem wurde das Wissen über die treibhausgasregulierende Wirkung von O2 im Freiland-Maßstab aus isolierten Laborexperimenten gewonnen. Wir haben gesehen, dass der Transport von Bodengasen über die Grenzfläche zwischen Boden und Atmosphäre sowohl durch Diffusionstransport in luftgefüllten Porenräumen im Boden als auch durch das Aerenchym-Gewebe vieler Sumpfpflanzen erfolgt. Einer der fehlenden Schlüsselfaktoren für das Verständnis der Prozesse im Maßstab eines realen Ökosystems sind jedoch kontinuierliche, hochaufgelöste und nicht-intrusive Messungen der O2-Verfügbarkeit in Feuchtlandböden bei kontrastierenden Umweltbedingungen - aufgrund eines schwankenden Grundwasserspiegels und saisonalen Wachstums unterirdisch aerifizierender Sumpf-Makrophyten.
Sauerstoffmessungen mit chemisch-optischen Sensoren
An der Universität Kopenhagen, Fakultät für Geographie und Geologie, haben wir für kontinuierliche Feldmessungen der O2-Dynamik unter der Oberfläche (Abb. 1) O2-Sonden (Typ PSt3, PreSens GmbH) benutzt. Die Sensoren wurden dauerhaft in einem Bodenprofil in 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50 und 60 cm Tiefe unter der Oberfläche installiert und an ein Mehrkanal-Sauerstoffmessgerät (OXY-10 mini, PreSens GmbH) mit einem Mikrocontroller (CR1000 Datenlogger, Campbell Scientific) zur automatisierten Datenerfassung verbunden. Vor der dauerhaften Installation im Bodenprofil wurden die Sauerstoffsonden in sauerstofffreiem (0 % Luftsättigung) und sauerstoffgesättigtem Wasser (100 % Luftsättigung) kalibriert. Rohphasenwinkelausgaben wurden in temperaturkorrigierte O2-Konzentrationen (% Luftsättigung) umgewandelt, unter Verwendung der Bodentemperaturwerte, die in den jeweiligen Tiefen gemessen wurden. Die Anwendung dieser Sauerstoffsonden ermöglichte kontinuierliche und wartungsfreie Messungen der O2-Dynamik im Feldmaßstab bei einer zeitlichen Auflösung von 10 Minuten über einen Zeitraum von zwei Jahren. Sie zeigten eine ausgezeichnete Zuverlässigkeit und es gab praktisch keine fehlenden Messungen.
Ergebnisse
Die Ergebnisse unserer Untersuchungen zeigen, dass die Produktion, der Verbrauch und die Emissionsdynamik von Treibhausgasen unter Tage durch eine Reihe von komplexen Wechselwirkungen gesteuert werden. Dazu zählen Faktoren wie die tägliche und saisonale Veränderungen der Verfügbarkeit von Sauerstoff und mineralischem Stickstoff, neben oberflächennahen Grundwasserspiegelschwankungen und tageszeitlichen Schwankungen des einfallenden Lichts (Abb. 2), die insgesamt die Bedeutung von Ökosystem-abhängigen Wechselwirkungen zwischen Boden, Pflanzen und Atmosphäre hervorheben.
Referenzen
[1] Askaer, L., Elberling, B., Glud, R. N., Kühl, M., Lauritsen, F. R., Joensen, H. P., 2010. Soil heterogeneity effects on O2 distribution and CH4 emissions from wetlands: In situ and mesocosm studies with planar O2 optodes and membrane inlet mass spectometry. Soil biology and Biochemistery 42, 2254 - 2265
[2] Elberling, B., Askaer, L., Jørgensen, C. J., Joensen, H. P., Kühl, M. Glud, R. N., Lauritsen, F. R., 2011. Linking soil O2, CO2 and CH4 concentrations in a wetland soil: implications for CO2 and CH4 fluxes. Environmental Science & Technology 45, 3393 - 339
[3] Jørgensen, C. J., Struwe, S., Elberling B., 2012. Temporal treands in N20 flux dynamics in a Danish wetland - effects of plant-mediated gas transport of N2O and O2 following changes in water level and soil mineral-N availability. Global Change Biology 18, 210 - 222.
Weitere Anwendungen
[4] Elberling B., Matthiesen, H., Jørgensen, C. J., Hansen, B. U., Grønnow, B., Meldgaard, M., Andreasen, C., Khan, S. A., 2011. Paleo-Eskimo kitchen midden preservation in permafrost under future climate conditions at Qajaa, West Greenland. Journal of Archaeological Science 38, 1331 - 1339