Impact of summer drought on greenhouse gas fluxes and nitrogen availability in a restored bog ecosystem with differing plant communities

Abstract

Natural peatlands are important carbon sinks and potential sources of methane (CH4). In contrast drained peatlands turn from a carbon sink to a carbon source and can emit nitrous oxide (N2O). Therefore restoration of peatlands implies climate change mitigation. In addition, climate change is expected to have a significant impact on the peatland carbon store and changes in precipitation amount and frequency are potentially damaging for peatlands. Thus, the carbon dioxide (CO2) and greenhouse gas balance (GHG) balance of three different plant communities at a restored bog site was investigated and the impact of summer drought was estimated by a manipulative field experiment using rainout shelters.

As study site, the Himmelmoor in the metropolitan region of Hamburg was chosen which is one of the largest ombrotrophic bogs in Schleswig-Holstein and is still used for peat mining. At the peat mining area and in the restored boundary fluxes of CO2, CH4 and N2O were monitored with closed chambers, for a one year period, with and without drought treatment. This study thus presents the first annual estimates of the CO2 and the GHG balance for parts of the Himmelmoor. In addition, nitrogen availability and meteorological and hydrological measurements were collected as well.

All three vegetation communities established in the restored study site, as well as the industrial peat mining area turned out to be sources of CO2 ranging between 0.60 ± 1.43 t CO2 ha-1 year-1 (Sphagnum dominated vegetation) and 3.09 ± 3.86 t CO2 ha-1 year-1 (vegetation dominated by heath plants) in the restored area. The industrial peat mining area had with 7.30 ± 0.67 t CO2 ha-1 year-1 the greatest CO2 emissions which were approximately 15 times higher, when the C content of the extracted peat was included in the calculation (114.02 ± 6.70 t CO2 ha-1 year-1). While accounting for the different global worming potentials (GWP) of the three greenhouse gases, the annual GHG emissions at the restored area ranged between 19 and 40 t CO2-eq ha-1 year-1 and were dominated by huge emissions of CH4 (15 to 37 t CO2-eq ha-1 year-1) while N2O emissions did not play a significant role. These CH4 emissions are the highest emissions so far reported for bog ecosystems in temperate Europe. The highest annual emission rates were found at the site that was dominated by dense stands of purple moor grass (Molinia caerulea). As the restored area was subject to large fluctuations in water table it can be expected that these high CH4 emissions were caused by a combination of both the plant mediated transport through M. caerulea and the temporal inundation of the easy decomposable plant litter of this grass species. The annual GHG balance of the peat mining area (8.90 ± 1.06 t CO2-eq ha-1 year-1) mainly derived from CO2 emissions. While CH4 emissions did not contribute to the GHG budget of this site, significant amounts of N2O were detected in summer month resulting in annual fluxes of 1.54 ± 0.80 t CO2-eq ha-1 year-1. Again including the C content of the extracted peat the GHG balance of the peat mining area is with 122.92 ± 6.78 t CO2-eq ha-1 year-1 3 to 6 times higher than the GHG emissions of the restored area. Summer drought had unequal effects on the vegetation communities of the restored area. The nitrogen availability in the soil pore water significantly increased due to rainout treatment indicating an increase in peat mineralisation. The GHG emissions of the Sphagnum and the heath plant dominated subsite slightly increased due to the rain exclosure, while it decreased at the site dominated by M. caerulea. Here, a considerable reduction of CH4 emissions outweighs the increase in CO2 emissions. M. caerulea additionally benefited from drought, as it significantly increased its biomass within one year. It is thus of concern that M. caerulea will spread out due to climate change and outcompetes typical bog plants. With regards to the extraordinary high CH4 emissions, and the situation that none of the plant communities which established at the restored site acts as CO2 sink suggestions for the improvement of the restoration and for adaptation to climate change were developed, based on the obtained results. As these suggestions are transferable, this study provides valuable implications not only for the Himmelmoor but also for other bog ecosystems in temperate Europe facing the challenges of climate change.

Während ursprüngliche Moore signifikante Senken für Kohlendioxid und natürliche Quellen von Methan darstellen, wandeln sich antropogen genutzte Moore von Kohlenstoffsenken zu -quellen und emittieren Lachgas. Daher ist die Renaturierung von Mooren ein wichtiger Beitrag zum Klimaschutz. Darüber hinaus wird erwartet, dass der Klimawandel erhebliche Auswirkungen auf die CO2-Senkenfunktion von Mooren hat und sie durch Veränderungen in Niederschlagsmenge und -frequenz negativ beeinflusst werden können. Aus diesem Grund wurde die CO2- und Treibhausgasbilanz (THG-Bilanz) von drei verschiedenen Pflanzengemeinschaften einer restaurierten Hochmoorfläche ermittelt und die Auswirkungen der für die Region Norddeutschland prognostizierten Sommertrockenheit durch ein manipulatives Feldexperiment abgeschätzt. Innerhalb der Metropolregion Hamburg wurde das Himmelmoor als Untersuchungsgebiet ausgewählt, welches noch immer für die Torfgewinnung genutzt wird. Auf der Torfabbaufläche, sowie in einem bereits renaturierten Randbereich des Moores wurden CO2-, CH4- und N2O-Flüsse mit und ohne Einfluss von simulierter Sommertrockenheit mit Hilfe der Hauben-Messtechnik gemessen. Darüber hinaus wurden die Stickstoffverfügbarkeit sowie meteorologische und hydrologischen Daten erhoben. Alle drei Vegetationstypen der renaturierten Fläche sowie die industriell genutzte Torfabbauflache stellen CO2-Quellen dar. Die jährlichen CO2-Emissionen der renaturierten Fläche liegen zwischen 0,60 ± 1,43 t CO2 ha-1 Jahr-1 (von Sphagnen dominierte Vegetation) und 3,09 ± 3,86 t CO2 ha-1 Jahr-1 (von Heidepflanzen dominiert). Die höchsten jährlichen Emissionen wurden mit 7,30 ± 0,67 t CO2 ha-1 Jahr-1 auf der industriellen Abbaufläche gemessen. Schließt man die Menge an Kohlenstoff mit ein, die durch den Abbau an Torf entnommen wird, ist die Emission mit 114,02 ± 6,70 t CO2 ha-1 Jahr-1 ca. 15-mal höher. Unter Berücksichtigung der unterschiedlichen Klimawirksamkeit von CO2, CH4 und N2O liegten die jährlichen THG-Emisionen des renaturierten Bereichs zwischen 19 und 40 t CO2 Äquivalent ha- 1 Jahr-1 hauptsächlich verursacht durch große Methanemissionen von 15 bis 37 t CO2-eq ha- 1 Jahr-1. Diese CH4-Emissionensraten sind die höchsten die im Europa der gemäßigten Breiten bisher in einem Hochmoor dokumentiert wurden. Am meisten emittierte dabei die Fläche, die von dichten Beständen an Pfeifengras (Molinia caerulea) dominiert wurden. Da die renaturierte Fläche starken Wasserstandsschwankungen unterlag, ist zu vermuten, dass eine Kombination aus pflanzenvermitteltem Methantransport durch M. caerulea und des zeitweiligen Überstaus der Bodenoberfläche und damit der leicht zersetzbaren Streu diese Grases, die Ursache für diese extrem hohen Methanemissionen ist. Die jährliche THG-Bilanz der Torfabbaufläche (8,90 ± 1,06 t CO2-eq ha- 1 Jahr-1) setzt sich vor allem aus CO2-Emissionen zusammen. Während CH4-Emissionen nicht zur Treibhausgasemission dieser Fläche beitragen, konnten N2O-Emissionen während der Sommermonate nachgewiesen werden und tragen signifikant zur Jahresbilanz bei (1,54 ± 0,80 t CO2-eq ha- 1 Jahr-1). Schließt man wiederum die abgebaute Menge an Torf in die Berechnung mit ein, ist die THG-Bilanz der Abbaufläche mit 122,92 ± 6,78 t CO2-eq ha- 1 Jahr-1 drei- bis sechsmalmal höher als die der renaturierten Fläche. Die simulierte Sommertrockenheit wirkte sich in unterschiedlicher Weise auf die verschiedenen Vegetationsgemeinschaften des renaturierten Bereichs aus. Die Stickstoffverfügbarkeit im Porenwasser hat sich durch die Trockenheit erhöht was als Zunahme der Torf-Mineralisierung gedeutet werden kann. Die THG-Emissionen der von Torfmoosen und der von Heide dominierten Untersuchungsflächen nahmen aufgrund des Regenausschluss-Experiments zu, während es sich bei der von M. caerulea dominiert Fläche verringerte. Obwohl hier die CO2-Emissionen anstiegen, wurde dieser Effekt durch die deutliche Reduzierung der CH4-Emissionen überwogen. Es konnte außerdem gezeigt werden, dass M. caerulea von der induzierten Trockenheit, vermutlich aufgrund der erhöhten Nährstoffverfügbarkeit, profitiert hat. Dies ist durch einen signifikanten Biomasseanstieg innerhalb eines Jahres ableitbar. Es ist daher zu befürchten, dass sich M. caerulea in Zukunft durch die Folgen des Klimawandels ausbreiten und andere hochmoortypische Arten verdrängen kann. Im Hinblick auf die außergewöhnlich hohen CH4-Emissionen der renaturierten Fläche, und der Tatsache, dass sich keine der drei untersuchten Pflanzengesellschaften zu einer CO2-Senke entwickelt hat, wurden Verbesserungsvorschläge für die Renaturierungsmaßnamen und zur Anpassung an den Klimawandel erarbeitet. Aufgrund der Übertragbarkeit, liefert diese Studie wertvolle Schlussfolgerung nicht nur für das Himmelmoor, sondern auch für andere ehemals genutzte Hochmoore in den gemäßigten Breiten.