Organic carbon pools in permafrost-affected soils of siberian arctic regions : Dissertation an der Universität Hamburg

Hamburg

2013

166 S.

Bandaufführung

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Die von Permafrost beeinflussten Böden des nordostsibirischen Lenadeltas und seines Hinterlandes sind durch eine sehr hohe Diversität charakterisiert. Die drei Bodenhauptgruppen der von Permafrost beeinflussten Böden, die organikreichen Histels, die kryoturbierten Turbels und die mineralischen und nicht-kryoturbierten Orthels, umfassen eine große Variabilität an untergeordneten Bodeneinheiten. Diese Variabilität entstand, obwohl Zeit, Temperatur und Wassersättigung die bodenbildenden Prozesse stark verlangsamten. Diese diversen, von Permafrost beeinflussten sibirischen Böden wurden bisher nur unzureichend bodenwissenschaftlich untersucht, obwohl sie bei der globalen Langzeit-Kohlenstoff-Sequestrierung eine entscheidende Rolle spielen. Sie gewannen erst an Bedeutung als das wachsende Wissen über die Kohlenstoffvorräte dieser Böden im Zusammenhang mit den aktuellen Projektionen zum zukünftigen, globalen Klima betrachtet wurden. Diese könnten in einem sich selbst verstärkenden Kreislauf resultieren, wenn freigesetzter "Permafrost-Kohlenstoff" den Treibhauseffekt verstärken würde. Obwohl nur wenige Dezimeter mächtig, werden diese Böden mit ihren Vorräten an Kohlenstoff möglicherweise eine entscheidende Rolle bei der Entwicklung des zukünftigen Klimas spielen, wenn die aktuellen Projektionen zum Temperaturanstieg und die aktuellen Modelle zur Entwicklung der Mächtigkeit der saisonalen Auftauschicht betrachtet werden. Die Frage, ob diese Böden immer noch Kohlenstoff sequestrieren, wird noch kontrovers diskutiert und wird wahrscheinlich unterschiedliche Antworten aus unterschiedlichen permafrost-beeinflussten Regionen liefern. Ansätze zur Beantwortung der Frage nach einer Kohlenstoff-Quellen- und Kohlenstoff-Senkenfunktion der von Permafrost beeinflussten Böden brauchen belastbares Wissen über die rezenten Kohlenstoffvorräte dieser Böden. Und genau hier setzt diese Arbeit an. Der Autor liefert eine erste robuste Abschätzung der Kohlenstoffvorräte in den modernen holozänen geomorphologischen Einheiten des Lenadeltas und darüber hinaus eine Abschätzung der Kohlenstoffgehalte in der saisonalen Auftauschicht entlang eines Nordsüd-Transekts im Nordosten Sibiriens, welcher sich vom Lenadelta bis zu seinem Hinterland erstreckt. Für den Bereich des Lenadeltas werden auch die Stickstoffvorräte geschätzt. Das Lenadelta, das größte arktische Delta, erstreckt sich über eine Fläche von 32.000 km² und speichert wahrscheinlich einen Großteil des Gesamtkohlenstoffvorrats der sieben größten Deltas der nördlichen permafrostbeeinflussten Regionen. Zu den geomorphologischen Einheiten des Lenadeltas, welche durch echte fluviatile Sedimentationsprozesse entstanden sind, gehören die holozäne Flussterrasse und aktive Überflutungsebenen. Ihr mittlerer Gehalt an organischem Kohlenstoff im oberen Meter des Bodens wurde auf 29 kg m-2 ± 10 kg m-2 beziehungsweise auf 14 kg m-2 ± 7 kg m-2 geschätzt. Für die Tiefe von einem Meter liefert die Schätzung einen Kohlenstoffvorrat in der holozänen Flussterrasse von 121 Tg ± 43 Tg. Die aktiven Überflutungsebenen speichern 120 Tg ± 66 Tg. Der Kohlenstoffvorrat der beobachteten saisonalen Auftauschicht wurde auf circa 127 Tg geschätzt, wenn eine durchschnittliche maximale Tiefe von 50 cm angenommen wird. Der Kohlenstoffvorrat, welcher im Permafrost unter der Auftauschicht gespeichert vorliegt und nicht von intensiven biogeochemischen Austauschprozessen mit der Atmosphäre beeinflusst wird, wurde auf 113 Tg geschätzt. Die mittleren Stickstoffgehalte im ersten Meter der Böden wurden auf 1,2 kg m-2 ± 0,4 kg m-2 für die holozäne Flussterrasse und auf 0,9 kg m-2 ± 0,4 kg m-2 für die aktiven Überflutungsebenen geschätzt. Für die Tiefe von einem Meter beträgt der Vorrat des Gesamtstickstoffs der Flussterrasse 4,8 Tg ± 1,5 Tg und der Überflutungsebene 7,7 Tg ± 3,6 Tg. Unter den Annahmen der Projektionen der Entwicklung der Mächtigkeit der saisonalen Auftauschicht wird diese bis zu 120 cm im Bereich des Lenadeltas im 21. Jahrhundert erreichen. Demzufolge würden die großen Kohlenstoff- und Stickstoffvorräte verstärkt für Abbau- und Mineralisationsprozesse verfügbar sein. Zwölf Standorte entlang eines Nordsüd-Transekts im Nordosten Sibiriens wurden untersucht, um die Böden zu klassifizieren und ihre Gehalte an organischem Kohlenstoff in den oberen 30 cm der saisonalen Auftauschicht zu quantifizieren. Die Auftauschicht dieser Gebiete war im Mittel nicht so tief wie die, der intensiven Studie im Lenadelta. Bei der Betrachtung der Gehalte des organischen Kohlenstoffs wurde eine Anordnung in drei Gruppen offensichtlich. Innerhalb dieser Gruppen nahm der Kohlenstoffgehalt bei abnehmender nördlicher Breite zu. Die höchsten Gehalte wurden an den südlichsten Standorten, nämlich der Waldtundra und Taiga des geologisch alten Zentralsibirischen Plateaus identifiziert. Sie betrugen im Mittel 24 kg m-2 ± 9 kg m-2. Die Böden der ersten und dritten Flussterrasse des Lenadeltas wiesen mittlere Kohlenstoffgehalte von 12 kg m-2 ± 3 kg m-2 auf, wohingegen die Böden des sanddominierten nordwestlichen Teils des Deltas, der zweiten Flussterrasse, nur 4 kg m-2 ± 2 kg m-2 in den oberen 30 cm beherbergten. Der klimatische Gradient mit sich ändernder Produktivität der Vegetation und unterschiedliches Ausgangsmaterial mit variierenden pedogenetischen Prozessen wurden als die Schlüsselprozesse identifiziert, welche die Höhe der Kohlenstoffgehalte steuern. Unter Zuhilfenahme der kumulierten Gehalte an organischem Kohlenstoff der intensiven Bodenstudie im Lenadelta, welche mit zunehmender Profiltiefe annähernd linear steigen und unter Anwendung des dazugehörigen Regressionsmodells, beträgt der Gehalt des organischen Kohlenstoffs der im Nordsüd-Transekt untersuchten Böden möglicherweise bis zu 80 kg m-2 innerhalb der oberen 100 cm der Böden. Die Ergebnisse dieser Pilotstudie verdeutlichen die Bedeutung der Fortführung der Quantifizierungsstudien der Kohlenstoffgehalte dieser Regionen. Diese werden zur Vergrößerung des Wissens über die Böden der einzigartigen und mannigfaltigen Landschaften Nordost-Sibiriens beitragen sowie deren Bedeutung für globale Kohlenstoff-Flussbilanzen detaillierter darstellen.