Carbon dioxide and methane balances of pristine and degradd temperate peatlands - Emprirical modeling of eddy covariance trace gas fluxes measured over heterogeneous terrain

Abstract

Bezüglich ihrer Klimawirksamkeit sind natürliche Moore durch ihre hohe Fähigkeit atmosphärischen Kohlenstoff zu binden, charakterisiert. Diese Eigenschaft ist eng mit dem Wasserhaushalt dieser Ökosysteme verbunden. Moorböden sind großteils wassergesättigt, was zu anaeroben Bedingungen und einem veringerten Abbau organischer Substanz führt. Die Festlegung von Kohlenstoff durch Photosynthese ist größer als die Rate mit der totes organisches Material im Boden abgebaut wird. Mit der Zeit wächst so die Kohlenstoffmenge, die im Boden verbleibt und nicht wieder zu Kohlendioxid umgewandelt wird. Ein Absenken des Wasserstands im Zuge der Moornutzung führt zur Belüftung des Moorbodens und daher zum vermehrten Abbau des gespeicherten Kohlenstoffs. In der vorliegenden Arbeit werden Eddy Kovarianz Kohlendioxid- und Methanflüsse dreier verschiedener Nutzungstypen verglichen: (1) eines unberührten Hochmoores, (2) eines durch laufenden Torfabbau degradierten Moores und (3) eines nach Torfabbau wiedervernässten Moorstandorts. Das naturnahe Untersuchungsgebiet (Rio Pipo) befindet sich auf Feuerland in Süd- Argentinien; von dort liegen sieben Monate Flussdaten vor. Von dem in Norddeutschland liegenden, degradierten Standort (Himmelmoor) wird ein zweijähriger Datensatz ausgewertet. Die Stadien der Landnutzug der drei Standorte können konzeptionell als zeitlich aufeinanderfolgend betrachtet werden. Sie veranschaulichen den möglichen Weg eines unberührten Moores über Degradierung und Wiedervernässung zurück zu einem natürlichen Zustand. Die zeitliche Entwicklung der Wiedervernässung des degradierten Standorts ist durch die Treibhausgasbilanzen zweier aufeinanderfolgender Jahre dokumentiert. Wiedervernässung hat erhebliche Auswirkungen auf die jährlichen Kohlenstoffflüsse. Die Kohlendioxidfreisetzung wird um bis zu 40 % verringert (von 22.16 ± 0.28 mol m-2 a-1 zu 12.91 ± 0.29 mol m-2 a-1), während die Methanemissionen der dränierten Flächen um bis zu 84 % niedriger (0.45 ± 0.01 mol m-2 a-1 vs. 0.83 ± 0.01 mol m-2 a-1) sind. Die molaren Kohlendioxidflüsse sind zwischen zwanzigund dreißigmal größer als die Methanflüsse beider Oberflächentypen. Ein Mol Methan wirkt jedoch anders auf die Klimaerwärmung als ein Mol Kohlendioxid und hat eine kürzere Aufenthaltsdauer in der Atmosphäre. Unter Berücksichtigung dieser Eigenschaften ergibt sich eine zweifache Interpretation der Ergebnisse. Kurzfristig (20 Jahre) relativiert die Wirkung ansteigender Methanfreisetzung die klimakühlenden Effekte verringerter Kohlendioxidemissionen. Langfristig (100 Jahre) wird die Treibhausgasbilanz des untersuchten Moores durch Wiedervernässung in Richtung einer klimakühlenden Wirkung verschoben. Im Gegensatz zum degradierten Standort ist das naturnahe Moor eine Kohlenstoffsenke im Sommer und eine geringe Quelle im Winter. Im Winter sind die wiedervernässten Flächen eine zweifach stärkere und die dränierten Gebiete eine zweieinhalbmal größere Kohlendioxidquelle. Um über die Zeit integrierte Flüsse angeben zu können, mussten zunächst zwei methodische Themen behandelt werden: (1) Das Füllen von Lücken in Gasflusszeitreihen und (2) die Auswertung von Eddy-Kovarianz- Datensätzen, die Informationen von mehreren Oberflächen beinhalten. Auf Grund der Bedeutsamkeit der Methanflussdynamik für die Bewertung von Wiedervernässungsmaßnahmen, müssen die Flüsse dieses Spurengases Teil einer umfassenden und aussagekräftigen Treibhausgasbilanz eines Feuchtgebiets sein. Die vorhandene Literatur über das Füllen von Lücken in Eddy Kovarianz Methanflusszeitreihen ist jedoch nicht eindeutig. Ich schlage ein Rahmenkonzept zur datengesteuerten Entscheidungsfindung für die empirische Modellierung von Eddy Kovarianz Gasflüssen vor, das die Auswahl von Eingansvariablen und den Vergleich verschiedener Modelltypen beinhaltet. Der Algorithmus wertet auch Oberflächenklassifikationsdaten aus, falls Flüsse über heterogenem Gelände aufgezeichnet wurden. Mechanistische Modelle konnten an die Kohlendioxidflüsse, die im naturnahen Standort über homogener Oberfläche gemessen wurden, angepasst werden. Im Vergleich mit diesen im Allgemeinen belastbareren Flussabschätzungen, erzeugt der vorgeschlagene Algorithmus ähnlich gute Ergebnisse. Diese Bewertung der Ergebnisse basiert auf der Auswertung des Akaike Information Criterion. Die höhere Komplexität der empirischen Modelle wurde somit in diesem Vergleich berücksichtigt. Separate Zeitreihen einzelner Oberflächenklassen wurden aus den Eddy Kovarianz Gasflüssen, die über heterogenem Gelände gemessen wurden, abgeleitet. Die Interpretation der so abgeleiteten Kohlendioxidflussmodelle einzelner Oberflächenklassen ergibt Pflanzenparameter, die in der Literatur angegebenen Werten der tatsächlich auf diesen Oberflächen vorkommenden Pflanzen entsprechen. Die Extrahierung von oberffächenspezifischen Zeitreihen aus Eddy Kovarianz Daten auf Landschaftsskala erscheint demzufolge machbar.

Regarding their climate impact, natural peatlands are characterized by their ability to sequester atmospheric carbon. This trait is strongly connected to the water regime of these ecosystems. Large parts of the soil profile in peatlands are water-saturated, leading to anaerobic conditions and to a diminished decomposition of plant litter. The rate of carbon fixation by plant photosynthesis is larger than the decomposition rate of dead organic material. Over time, the amount of carbon that remains in the soil, and is not converted back to carbon dioxide, grows. Land use of peatlands often goes along with water level manipulations and thereby with alterations of carbon flux dynamics. In the present thesis, eddy covariance carbon dioxide and methane flux measurements from two contrasting peatlands are compared. One site is in a pristine state (1), whereas the other one has been degraded by peat mining. On the latter site, two management types are implemented: (2) drainage and (3) rewetting. The pristine investigation site (Rio Pipo) is located on Tierra del Fuego in southern Argentina; seven months of flux data are available from there. A two year dataset is evaluated from the degraded site (Himmelmoor) that is situated in northern Germany. The three investigated land use states are conceptually regarded as sequential, as they can illustrate the possible path a pristine peatland would take over degradation and rewetting back to a natural state. At the degraded site, the development of rewetting over time is given by greenhouse gas flux balances that cover two consecutive years. Rewetting does have a considerable effect on the annual carbon gas fluxes. Carbon dioxide release decreases up to 40 % (from 22.16 ± 0.28 mol m-2 a-1 to 12.91 ± 0.29 mol m-2 a-1), while methane release is up to 84 % (0.45 ± 0.01 mol m-2 a-1 vs. 0.83 ± 0.01 mol m-2 a-1) lower from the drained surfaces. Molar carbon dioxide fluxes are factors between 20 and 30 larger than methane fluxes from both surface classes. One mol methane does, however, have a different climate warming effect than one mol carbon dixoide, and its lifetime in the atmosphere is shorter. Factoring in these properties leads to a twofold interpretation of the results. On short timescales (20 years), the ramifications of increased methane release offsets the climate cooling impact of decreasing carbon dioxide emissions. On long timescales (100 years), rewetting shifts the investigated peatland’s greenhouse gas balance towards a climate cooling effect. While the rewetted areas are still a carbon source today, they are less of a source than the drained areas and release progressively less carbon gases in the course of rewetting. In contrast to the degraded site, the pristine peatland is a net carbon sink in summer and a smaller source of carbon in winter. Winter source strength is two times smaller compared to the rewetted areas and 2.5 times smaller relative to the drained surfaces. In order to report fluxes integrated over time, two methodological topics are addressed: (1) gap-filling of gas flux time series and (2) the assessment of eddy covariance signals that contain information from multiple microforms. Due to the importance of methane flux dynamics for the evaluation of rewetting measures, this trace gas flux has to be included in a comprehensive and informative wetland greenhouse gas balance. There is, however, some ambiguity in literature about eddy covariance methane flux gap-filling. I propose a data-driven decision-making framework for empirical modeling of eddy covariance gas fluxes that includes the selection of input variables and compares different model types. The algorithm also evaluates surface classification data if fluxes were recorded over heterogeneous terrain. Mechanistic modeling was feasible with carbon dioxide fluxes measured over homogeneous terrain at the pristine investigation site. In comparison to these generally more robust flux estimates, the proposed gap-filling algorithm gives equally good results, while this notion is based on the Akaike Information Criterion and hence does take into account the higher complexity of the applied empirical models. Individual time series related to distinct surface classes were inferred from the eddy covarinace gas flux time series measured over heterogeneous terrain at the degraded site. When the derived carbon dioxide models on surface class level are interpreted in a mechanistic way, the resulting plant parameters match literature values for the actual plant species occurring on this microform. Therefore, the applied extraction of surface class time series from landscape-scale eddy covariance data appears to be feasible.