FAQ
© 2015 Staats- und Universitätsbibliothek
Hamburg, Carl von Ossietzky

Öffnungszeiten heute09.00 bis 24.00 Uhr alle Öffnungszeiten

Eingang zum Volltext in OPUS

Hinweis zum Urheberrecht

Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-64108
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2013/6410/


Spatial variability and seasonal dynamics of dissolved organic matter in surface and soil pore waters in mire-forest landscapes in the Komi Republic, Northwest-Russia

Räumliche Variabilität und saisonale Dynamik von gelöstem organischen Kohlenstoff in Oberflächen- und Bodenporenwassern in Moor-Wald-Landschaften der Komi Republik, Russland

Avagyan, Armine

pdf-Format:
 Dokument 1.pdf (4.405 KB) 


SWD-Schlagwörter: gelösten organischen Kohlenstoff , Sumpf-Komplex , Moor
Freie Schlagwörter (Englisch): peatland , dissolved organic matter , hydrochemistry
Basisklassifikation: 38.95 , 38.85 , 38.60
Institut: Geowissenschaften
DDC-Sachgruppe: Geowissenschaften
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Kutzbach, Lars (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 05.07.2013
Erstellungsjahr: 2013
Publikationsdatum: 17.10.2013
Kurzfassung auf Englisch: The overarching aim of this thesis is to describe and contribute to the still rather sparse data on the small-scale spatial variability and seasonal dynamics of dissolved organic matter (DOM) in the surface and soil pore waters in mire-forest landscapes in the Komi Republic of Northwest Russia. This study stands out because it estimates the DOC flux during the snowmelt and identifies the main ecohydrological units that contribute to the flux. Furthermore, this study aims to bridge the gap between the knowledge of DOM fluxes and different size fractions of organic carbon (truly dissolved and colloidal) in a boreal mire-forest landscape. It also provides comparative analyses of different portable DOC measurement methods, which is important for evaluating DOC dynamics in remote sites.
This thesis consists of eight chapters. Chapter 1 presents the Introduction, which highlights the current gaps in our knowledge of DOM dynamics. Additionally, it presents the motivations, principle objectives and scope of the investigation. Chapter 2 provides a literature review of the importance of peatlands as carbon sinks and highlights the role of dissolved organic carbon (DOC), the main component of lateral carbon fluxes, in predicting the possible responses to global change and other effects on biochemical cycles. In addition, Chapter 2 describes the structural characteristics of DOM and the primary regulatory factors that cause changes in DOM concentrations. Chapter 3 provides detailed information about the study site for the conducted research that is described in Chapters 4-7. The description includes information about the location, geology, climatic data and vegetation of the site.
The main findings of this thesis are presented in Chapters 4-7. Each of these chapters consists of separate sections: abstract, introduction, materials and methods, results, discussion and conclusions. The primary objective of Chapter 4 is to provide a comparative study of innovative methods for measuring DOC under remote field conditions. The chapter evaluates the application of automated DOC measurements using portable UV-Vis probes. The secondary objective is to establish the link between absorbance and DOC concentrations for different landscape subunits and fractions. This chapter also stresses the importance of quality assurance and quality control when using absorbance values as proxies for quantifying DOM. This chapter shows that the UV-Vis submersible probe facilitates the rapid, robust and continuous measurement of DOC contents under field conditions. This chapter also demonstrates that studies that use absorbance values as a proxy for DOC content determination should include more than one wavelength in their absorbance-concentration models.
The main objective of Chapter 5 is to describe the hydrochemical gradients in the surface and pore waters with respect to DOM and vegetation changes across the mire complex. Specifically, it assesses the qualitative and quantitative variations in DOC and the major ion dynamics during the active vegetation growth and senescence periods. Furthermore, this chapter describes another goal of the study, which is to determine the location of hot spots for DOC production and export. The results of Chapter 5 demonstrate that the DOC content within the boreal mire complex ranged from 20-54 mg L-1. The diverging hydrochemistry and DOC content indicated a high heterogeneity between different ecohydrological subunits within one mire complex. The current study also shows that, in terms of hydrochemistry, the lagg zone may act as a hotspot within the mire and that due to the high nutrient and DOC contents, the lagg zone can potentially act as a major CO2 and CH4 emitter. Furthermore, the hydrochemical parameters demonstrated that the lagg site was the primary contributor to the outflow streams.
The goals of Chapter 6 are to quantify the DOC export during snowmelt, which is a major hydrological event, and to explain the main factors that regulate the DOC export. In addition, it identifies the flow paths of runoff water during the period of snowmelt and provides a conceptual understanding of the spatial and temporal dynamics of the surface chemistry along the lagg-fen-bog gradient after snowmelt. This chapter demonstrates that during the snowmelt period, 1.7 g C m-2 in the form of DOC was transferred in the 74 mm of runoff from the catchment into the river. The ecohydrological units differ with the mire thaw at different times as a result of differences in the exposure to the sunlight, vegetation cover, and soil structures. Different thawing periods lead to variation in the inputs and relative contribution of variable sub-units to the outflow DOC content change over a short period of time.
Chapter 7 presents, for the first time, a detailed quantitative and qualitative analysis of truly dissolved and colloidal organic compound variation in the boreal mire-river complex over the course of one annual cycle. This chapter focuses on the use of DOC content and stable isotope data from different size fractions to identify qualitative variations in the DOM within the mire complex and to trace the water flow pathways. The study demonstrates that the proportion of truly dissolved and colloidal organic carbon varies temporally and spatially. The highest proportion of the truly dissolved organic carbon fraction was detected at all sites during the summer. Based on the seasonal changes in the fraction distribution, increased vegetation growth and water residence times, high temperatures, and stronger photodegradation can be suggested to lead to a higher proportion of the truly dissolved organic carbon fraction during the summer period. Furthermore, a significant difference was detected in the 13C values for all fractions. The 13C values were the lowest during the summer period and increased during the fall and snowmelt periods. However, interpretation with respect to decomposition based solely on 13C should be performed with caution because the 13C values can vary due to the presence of different molecular compounds, vegetation cover and climatic factors. 13C can also be used as a tracer for detecting organic matter transport. In the current study, the 13C signatures reveal that the outflow waters were hydrochemically closely related to the surface waters of the lagg zone. Finally, Chapter 8 summarizes the main findings and proposes recommendations for further studies. It highlights that to predict how peatlands will respond to climate change, an integrated approach to the process-level understanding of carbon cycle, especially DOM studies, should be not neglected and included in the total carbon budget estimations.
Kurzfassung auf Deutsch: Das übergreifende Ziel dieser Doktorarbeit ist es, das noch immer spärliche Datenmaterial dazustellen und zu ergänzen, welches kleinmaßstäbliche, räumliche Variabilität und saisonale Dynamiken von gelöster organischer Substanz (DOM) in Oberflächen- und Bodenporenwassern in Sumpf-Wald Landschaften der Komi Republik von Nordwest Russland beschreibt. Diese Studie hebt sich außerdem ab, indem sie den gelösten organischen Kohlenstoff (DOC) Fluss während der Schneeschmelze berechnet und die beitragenden ökohydrologischen Einheiten dieses Flusses identifiziert. Desweiteren beabsichtigt diese Studie, die Wissenslücke zwischen DOM Flüssen und unterschiedlichen Korngrößenanteilen von organischem Kohlenstoff (gelöst - d.h. niedermolekulare Masse - und kolloidal) in einer borealen Sumpf-Wald Landschaft zu schließen. Sie liefert darüber hinaus Vergleichsanalysen verschiedener transportabler Methoden zur DOC Messung.
Diese Doktorarbeit umfasst acht Kapitel. Kapitel 1 bildet die Einleitung, welche momentanen Wissenslücken im Gebiet der DOM Dynamiken aufzeigt. Außerdem werden die Motivation, die Zielsetzung und der Untersuchungsrahmen dargestellt. Kapitel 2 beinhaltet eine Literaturauswertung mit Bezug auf die Bedeutung von Mooren als Kohlenstoffsenken. Außerdem wird die Rolle des DOC, dem Hauptbestandteil des lateralen Kohlenstoffflusses, in der Prognose potenzieller Reaktionen von biogeochemischen Kreisläufen auf globalen Wandel und andere Einwirkungen unterstrichen. Zusätzlich beschreibt Kapitel 2 die strukturellen Charakteristiken des DOM und primäre Regulationsfaktoren welche Veränderungen der DOM Konzentrationen verursachen können. Kapitel 3 bietet eine detaillierte Übersicht des Versuchsstandorts und enthält Informationen über Lage, Geologie, Klimadaten und Vegetation des Standortes.
Die wesentlichen Erkenntnisse dieser Doktorarbeit sind in Kapitel 4-7 dargelegt. Jedes dieser Kapitel besteht aus separaten Abschnitten: Zusammenfassung, Einleitung, Material und Methodik, Ergebnisse, Diskussion und Schlussfolgerung. Das Hauptziel des Kapitels 4 ist es, eine Vergleichsstudie innovativer Methoden für die DOC-Messung unter entlegenen Feldbedingungen zu liefern. Dazu wertet das Kapitel die Anwendung von automatisierten DOC-Messungen mittels tragbarer UV-Vis-Sensoren aus. Das weitere Ziel ist es die Verbindung zwischen Absorption und DOC-Konzentrationen in unterschiedlichen Landschaftsteilen und -abschnitten herzustellen. Außerdem verdeutlicht dieses Kapitel die Wichtigkeit der Qualitätssicherung und -kontrolle bei der Nutzung von indirekten Anzeigern (Proxys) zur DOM-Quantifizierung. Im Kapitel wird aufgezeigt, dass der tauchfeste UV-Vis-Sensor die schnelle, stabile und fortlaufende Messung von DOC-Gehalt unter Feldbedingungen ermöglicht. Diese Studie demonstriert des Weiteren, dass Studien welche den Gebrauch von Absorptionswerten als Proxys für DOC-Gehalt anwenden, mehr als eine Wellenlänge in ihr Absorptions-Konzentrations Modell miteinbeziehen sollten.
Die Zielsetzung von Kapitel 5 ist die Beschreibung der hydrochemischen Gradienten in Oberflächen- und Porenwassern bezogen auf DOM und Vegetationsveränderungen über den Sumpf-Komplex. Insbesondere sind die qualitativen und quantitativen DOC-Schwankungen ausgewertet, sowie die Veränderungen der wesentlichen Ionen während des aktiven Vegetationswachstums und der Seneszenz-Phase. Überdies beschreibt dieses Kapitel ein weiteres Ziel der Studie, welches die Ermittlung von Hotspots für DOC-Produktion und -Export darstellt. Die Ergebnisse in Kapitel 5 zeigen, dass der DOC-Gehalt in dem borealen Sumpf-Komplex zwischen 20-54 mg L-1 liegt. Die divergierende Hydrochemie und die DOC-Gehalte zeigen eine hohe Heterogenität zwischen den verschiedenen ökohydrologischen Teilabschnitten innerhalb eines Sumpf-Komplexes an. Zudem zeigt die vorliegende Studie, dass die Lagg-Zone (topographische Senke) die Hydrochemie betreffend einen Hotspot innerhalb des Sumpfes darstellen kann, und aufgrund der hohen Nährstoff- und DOC-Gehalte als wesentliche CO2- und CH4-Emissionsquelle zu verstehen ist. Außerdem zeigen hydrochemische Parameter, dass die Lagg-Zone den Hauptanteil zum Abfluss beitrug. Die Ziele in Kapitel 6 umfassen die Quantifizierung des DOC-Exports während der Schneeschmelze, einem wesentlichen hydrologischen Ereignis, und die Beschreibung der Hauptfaktoren, welche den DOC-Export regulieren. Zusätzlich wurden Fließwege des Abflusswassers während der Schneeschmelze identifiziert und ein konzeptuelles Verständnis der räumlichen und zeitlichen Entwicklungen der Oberflächenchemie entlang des Lagg-Marsch-Moor Gefälles nach der Schneeschmelze erstellt. Im Kapitel ist gezeigt, dass während der Schneeschmelze 1.7 g C m-2 in Form von DOC über die 74 mm Abfluss vom Einzugsgebiet in den Fluss geleitet werden. Die verschiedenen ökohydrologischen Abschnitte innerhalb des Sumpfgebiets tauen zu unterschiedlichen Zeiten als Folge der unterschiedlichen Sonneneinstrahlung, der Vegetationsbedeckung und der Bodenstruktur. Die verschiedenen Tauphasen führen zu unterschiedlichen Einträgen und relativen Beiträgen der verschiedenen Gebietsabschnitte, die DOC-Gehaltsschwankungen im Abfluss bewirken.
Kapitel 7 bietet erstmals eine eingehende, quantitative und qualitative Analyse der Variabilität von gelösten und kolloidalen organischen Verbindungen in einem borealen Sumpf-Fluss- Komplex über den Jahresverlauf. Dieses Kapitel befasst sich mit der Anwendung von DOC-Gehalt und stabilen Isotopen verschiedener Größengruppen um qualitative Variationen in DOM innerhalb des Sumpf-Komplexes zu identifizieren, und den Wasserlauf nachzuverfolgen. Die Studie zeigt, dass die Proportionen des gelösten und kolloidalen organischen Kohlenstoffs zeitlich und räumlich variieren. Der höchste Anteil des gelösten organischen Kohlenstoffs war an allen Messstellen im Sommer zu finden. Aufgrund der saisonalen Veränderungen in der Anteilsverteilung kann vermutet werden, dass verstärkter Vegetationswachstum und Residenzzeit des Wassers, hohe Temperaturen, und verstärkter photooxidativer Abbau zu einer höheren Proportion des gelösten organischen Kohlenstoff Anteils während des Sommers führen. Des Weiteren wurde ein signifikanter Unterschied der 13C-Werte aller Fraktionen erfasst. Die 13C-Werte waren am niedrigsten während der Sommerphase und stiegen währen Herbst und Schneeschmelze an. Dennoch sollte die Interpretation des Abbaus basierend auf 13C mit Vorsicht durchgeführt werden, weil verschiedener molekularer Verbindungen, Vegetationsbedeckung, und klimatischen Faktoren zu einer Variation der 13C-Werte führen können. 13C kann ebenfalls als Tracer genutzt werden, um organische Stoffflüsse zu verfolgen. In der vorliegenden Studie haben 13C-Werte gezeigt, dass die Abflusswasser hydrochemisch nah verwandt waren mit den Oberflächenwassern der Lagg-Zone.
Das abschließende Kapitel 8 fasst die Hauptergebnisse zusammen und enthält Empfehlungen für zukünftige Studien. Diese Studie unterstreicht, dass eine Prognose über die Reaktion von Mooren auf den Klimawandel einer integrierten Herangehensweise bedarf. Hierfür und für eine umfassende Gesamtkohlenstoffbilanz ist ein Verständnis der verschiedenen Prozessebenen des Kohlenstoffkreislaufes erforderlich, welches auch Studien über DOM berücksichtigen sollte.

Zugriffsstatistik

keine Statistikdaten vorhanden
Legende