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 : Dissertation an der Universität Hamburg

Hamburg

2013

200 S.

Bandaufführung

179867

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 d13C-Werte aller Fraktionen erfasst. Die d13C-Werte waren am niedrigsten während der Sommerphase und stiegen währen Herbst und Schneeschmelze an. Dennoch sollte die Interpretation des Abbaus basierend auf d13C mit Vorsicht durchgeführt werden, weil verschiedener molekularer Verbindungen, Vegetationsbedeckung, und klimatischen Faktoren zu einer Variation der d13C-Werte führen können. d13C kann ebenfalls als Tracer genutzt werden, um organische Stoffflüsse zu verfolgen. In der vorliegenden Studie haben d13C-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.