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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-86528
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2017/8652/


Soil organic matter decomposition in permafrost-affected soils and sediments

Abbau organischer Substanz in permafrostbeeinflussten Böden und Sedimenten

Walz, Josefine

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SWD-Schlagwörter: Dauerfrostboden , Treibhausgas , Klimaänderung , Arktis
Freie Schlagwörter (Englisch): soil organic matter , incubation , Yedoma , greenhouse gases , permafrost
Basisklassifikation: 38.16 , 38.61 , 38.63
Institut: Geowissenschaften
DDC-Sachgruppe: Geowissenschaften
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Pfeiffer, Eva-Maria (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 10.07.2017
Erstellungsjahr: 2017
Publikationsdatum: 03.08.2017
Kurzfassung auf Deutsch: Permafrostregionen spielen eine zentrale Rolle im globalen Klimasystem. Atmosphärischer Kohlenstoff (C) wurde über Jahrtausende in permafrostbeeinflussten Böden und Sedimenten eingelagert. Der Gesamtvorrat an organischem Kohlenstoff wuchs daher auf bis zu 1 300 Pg an, von denen aber ~800 Pg dauerhaft gefroren und daher nicht Teil des aktiven C-Kreislaufes sind. Durch Umweltveränderungen im Zuge steigender Temperaturen können große Mengen der im Permafrost gespeicherten organischen Substanz biologisch verfügbar und mikrobiell zu Kohlenstoffdioxid (CO2) und Methan (CH4) umgewandelt und wieder an die Atmosphäre abgeben werden. Die Steuerungsfaktoren der Gasproduktion in der saisonalen Auftauschicht und des dauerhaft gefrorenen Permafrostes sind jedoch unzureichend bekannt, um die Wechselwirkungen zwischen tauendem Permafrost und globaler Klimaerwärmung verlässlich zu prognostizieren. Das Ziel dieser Arbeit war es daher, die potentielle CO2- und CH4-Produktion in verschiedenen Boden- und Sedimentschichten permafrostbeinflusster Landschaften in Nordostsibirien mittels Laborinkubationen zu bestimmen.
Der Fokus war zweifältig: Zuerst wurde der Einfluss von Umweltbedingungen auf die CO2- und CH4-Produktion in der Auftauschicht und im oberflächennahen (<1 m) Permafrostboden in Böden des Lena Deltas bestimmt. Sowohl die aerobe als auch die anaerobe Produktion war am höchsten im Oberboden (0–10 cm). Unter anaeroben Bedingungen wurde 2–4-mal weniger organische Substanz umgesetzt als unter aeroben Bedingungen. Methanogenese wurde erst nach einer Verzögerung von mehreren Wochen bis Monaten beobachtet. Der Anteil von CH4-C am anaeroben Gesamtumsatz stieg mit der Inkubationsdauer. Anaerober C-Abbau könnte daher eine bedeutendere Rolle im C-Kreislauf einiger Tundraböden spielen, als bisher angenommen. In der Auftauschicht führte ein Gefrier-Tau-Zyklus zu einem kurzlebigen CO2-Puls direkt nach dem Wiederauftauen. Die erhöhte Substratverfügbarkeit nach dem Tauen, z.B. durch Auflösung toter Zellmembranen (Lyse) und mechanisches Aufbrechen von Bodenaggregaten, kann die CO2-Produktion steigern. Die organische Substanz im Permafrost und die CH4-Produktion waren nicht betroffen. Um die Temperaturabhängigkeit aerober Abbauprozesse zu bestimmen, wurden Q10-Werte mittels der equal-C-Methode berechnet. Q10-Werte in der vorliegenden Arbeit bewegten sich zwischen 2.1–7.8. Langsam abbaubarer Kohlensoff zeigte meistens höhere Q10-Werte als schnell abbaubarer Kohlenstoff. Die Zugabe von frischer Pflanzenmaterie (Carex aquatilis, eine weitverbreitete Pflanze im Untersuchungsgebiet) führte zu einer Steigerung der aeroben CO2-Produktion in allen Bodenschichten. Das zusätzliche CO2 stammte jedoch vorwiegend aus dem Abbau des zugesetzten Materials. Ein realer Priming-Effekt, d.h. eine Veränderung des Abbaus der bodeneigenen Substanz, wurde nur im Permafrost festgestellt.
Das zweite Augenmerk lag auf der Abbaubarkeit organischer Substanz in tiefen Permafrostsedimenten, welche unter unterschiedlichen Klimabedingungen abgelagert wurden. Die untersuchten Ablagerungen der Insel Muostakh und der Buor Khaya-Halbinsel in der zentralen Laptewsee und der Großen Ljachow-Insel in der östlichen Laptewsee beinhalten Ablagerungen zweier glazial-interglaziale Zyklen zwischen den Sauerstoff-Isotopenstufen (engl. marine isotope stage, MIS) MIS7–MIS1. Im Allgemeinen lagerten spät-pleistozäne (MIS2–MIS4) Yedoma-Ablagerungen mehr labilen Kohlenstoff ein als holozäne und Thermokarstablagerungen. Insbesondere Ablagerungen des MIS3-Interstadials (Kargin) zeigten vergleichsweise hohe CO2-Produktionspotentiale. Große regionale Unterschiede in der Abbaubarkeit der organischen Substanz innerhalb derselben stratigraphischen Einheit verzerren jedoch die Vorhersagbarkeit der Treibhausgasproduktion in tauendem eisreichen Permafrost. Es ist daher unwahrscheinlich, dass eine Vorhersage der Abbaubarkeit auf Grundlage der stratigraphischen Position getroffen werden kann. Die CO2-Produktion in Yedoma-Ablagerungen in der westlichen Laptewsee war fast dreimal höher als in der östlichen Laptewsee, was auf regionale Klimaunterschiede zurückzuführen ist. Auch lokale Bedingungen während und nach dem Einfrieren spielen eine Rolle. So wurde in Yedoma-Ablagerungen nur vereinzelt CH4-Produktion gemessen, obwohl geeignetes Substrat vorhanden war, was auf eine mikrobielle Limitierung hindeutet. Unter in situ Bedingungen ist eine Methanproduktion in diesen Sedimenten vorstellbar, wenn sich ehemalige methanogene Mikroorganismen vermehren oder rezente Gemeinschaften in neu getaute Bereiche migrieren. Methanogenese wurde in Seesedimenten der Eem-Warmzeit von der Großen Ljachow-Insel festgestellt, wenn auch mehrere Größenordnungen kleiner als die CO2-Produktion. Das anaerobe Ablagerungsmilieu begünstigte das Einfrieren einer methanogenen Gemeinschaft. Diese Ablagerungen könnten daher Aufschluss über die Langzeitentwicklung von Thermokarstseen und ihrer Bedeutung im arktischen C-Kreislauf geben.
Kurzfassung auf Englisch: Permafrost regions play an important role in the global climate system. For millennia, atmospheric carbon (C) has been sequestered in permafrost-affected soils and sediments. Thus, the soil organic carbon (SOC) pool of the permafrost region has grown to ~1 300 Pg, of which ~800 Pg are perennially frozen and are therefore not part of the active C-cycle. However, there is increasing concern about warming-induced environmental changes in the Arctic, which will result in enhanced microbial decomposition of soil organic matter (SOM) and subsequent release of greenhouse gases (GHG) like carbon dioxide (CO2) and methane (CH4). The regulating factors of SOM decomposition in the seasonally thawed active layer and perennially frozen permafrost, however, are insufficiently understood to confidently predict the feedback of thawing permafrost to global warming. The objective of this work was therefore to quantify CO2 and CH4 production potentials of different soil and sediment layers in permafrost-affected landscapes in northeastern (NE) Siberia through laboratory incubations.
The focus was two-fold: First, the influence of environmental drivers on CO2 and CH4 production in the active layer and upper (<1 m) permafrost soils from the Lena River Delta was quantified. Generally, production under aerobic and anaerobic conditions was highest in the surface layers (0–10 cm). Under anaerobic conditions, 2–4 times less SOC was decomposed. Methanogenesis was only observed after a lag phase of several weeks to months. The contribution of CH4 C to the cumulative anaerobic C production gradually increased over the incubation period, indicating that in the long-term, anaerobic decomposition processes and methanogenesis could play a more dominant role in the C-cycle of tundra soils than previously assumed. In the active layer, a freeze-thaw cycle caused a short-lived pulse of CO2 production directly after re-thawing in the active layer, suggesting that higher substrate availability after re-thawing, e.g. from break down of dead cell membranes (lysis) and physical breakdown of soil aggregates, can enhance CO2 production, while permafrost SOM as well as CH4 production was unaffected. To assess the temperature sensitivity of SOM decomposition, Q10 values were calculated via the equal-C method. Q10 values in the current work ranged between 2.1–7.8, with higher Q10 values observed for slower decomposing SOC pools. The addition of labile plant-derived organic matter) generally increased aerobic CO2 production in all soil layers. Most of the additional CO2, however, came from the amendment. A real priming effect, i.e. a change in the autochthonous SOM-derived CO2 production, was only observed in permafrost.
The second focus was on the decomposability of several deep permafrost deposits, which accumulated under different climatic regimes. The investigated deposits from Muostakh Island and the Buor Khaya Peninsula in the central Laptev Sea and Bol’shoy Lyakhovsky in the eastern Laptev Sea cover two glacial-interglacial cycles between the marine isotope stages (MIS) MIS7–MIS1. Generally, Weichselian deposits from the Late Pleistocene (MIS4–MIS2) Yedoma Ice Complex (IC) contained more labile SOC than Holocene and thermokarst deposits. Especially deposits from the MIS3 interstadial (Kargin) showed higher CO2 production potentials. However, strong regional differences in the decomposability of SOM from the same stratigraphic unit contort estimations of GHG production potentials. It is therefore unlikely, that SOM decomposability can be generalized solely on the stratigraphic classification. CO2 production in Yedoma IC deposits in the central Laptev Sea were nearly three times higher than in the eastern Laptev Sea region, which may be explained by regional climatic differences. Also, local depositional environments and post-freezing processes can play a role. Methanogenesis was only sporadically observed in Yedoma IC deposits, despite appropriate substrate, suggesting a microbial limitation. Under in situ thaw conditions, CH4 production from these deposits may occur after the reproduction of ancient or migration of recent methanogenic communities into newly thawed soils and sediments. Methanogenesis was observed in Eemian lacustrine sediments from Bol’shoy Lyakhovsky, but several orders of magnitude smaller than CO2 production. The anaerobic lake environment favored the preservation of a viable methanogenic community. These sediments could therefore give new insights into the long-term development of thermokarst-lake deposits and their role in the arctic C-cycle.

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