Senckenberg Forschung

Permatrans

PERMATRANS - DER PERMAFROST-TRANSEKT – AUSWIRKUNGEN DES KLIMAWANDELS UND DER LANDNUTZUNG AUF PERMAFROSTBÖDEN UND DEREN KOHLENSTOFF-DYNAMIK ENTLANG EINES KLIMAGRADIENTEN AUF DEM TIBET-PLATEAU

Permafrostböden, insbesondere in Tibet, unterliegen infolge der globalen Erwärmung hochdynamischen Veränderungen, die mit der Emission der Spurengase CH4, N2O und CO2 einhergehen. Daneben erhöht sich der Beweidungsdruck durch die zunehmende Anzahl sesshafter Nomaden, verbunden mit einer zunehmenden Zerstörung der Vegetationsdecke und einer Abnahme des Gehalts an organischer Substanz im Boden. Ziel des Projekts ist es, die Bodenentwicklung, die Kohlenstoffdynamik im Boden und die daraus resultierenden Treibhausgasemissionen auf der Pedonskala, der Plotskala und der Landschaftsskala zu quantifizieren. Dies ermöglicht die räumliche Differenzierung von Böden mit Quellen- und Senkenfunktion für Kohlenstoff und die Erfassung des damit verbundenen Klima- und umweltbezogenen Veränderungs- und Risikopotenzials für Treibhausgasemissionen in Tibet.
Wir nehmen an, dass hierbei die Bodenfeuchte, die Bodentemperatur und das Redoxpotenzial, gesteuert durch das Abschmelzen des Permafrostes, zentrale bodenkundliche Indikatoren sind. Auf mikrobiologischer Seite spielen die Umsatzraten der Zersetzung der organischen Substanz und die Methanoxidation eine entscheidende Rolle.
Die zugehörigen Bildungsraten der Spurengase CH4 und CO2 sind gut erforscht, allerdings fehlt der Zusammenhang mit der räumlichen Anordnung von steuernden Bodeneigenschaften, sodass Vorhersagen und Risikoabschätzungen im Hinblick auf den Klimawandel bislang mit großen Unsicherheiten behaftet sind. Dies gilt insbesondere für die Zersetzung hochpolymerer organischer Substanz durch mikrobielle Prozesse unter anoxischen Bedingungen in Permafrostböden. Die mikrobiologischen Prozesse werden dabei durch die Redoxbedingungen im Boden, die Permafrostbedingungen und die Qualität der organischen Bodensubstanz angetrieben. Ebenso steuern umgekehrt die mikrobiologischen Umsetzungen die Qualität der verbleibenden, nicht abgebauten organischen Substanz im Boden. Am Ende stellt sich ein neues Fließgleichgewicht ein, dessen Eigenschaften wir nicht genau kennen. Wie viel Kohlenstoff wird im Boden übrig bleiben? Wie verändern sich die Kohlenstoffpools bei kontinuierlichem Abtauen des Permafrosts? Was bedeutet dies für die Senken- bzw. Quellenfunktion der Böden für CH4- und CO2-Emissionen? Auf Basis des Verständnisses dieser Zusammenhänge können dann sinnvolle Indikatoren abgeleitet werden, die zusammen mit Landoberflächendaten und Nutzungsinformationen die räumliche Extrapolation der Permafrostdegradation und der Funktion von Boden als Kohlenstoffsenke bzw. -quelle ermöglichen sowie die Bilanzierung und Modellierung der Treibhausgasemissionen erlauben werden. Wir sind daher der Überzeugung, dass hier eine integrative Analyse bodenökologischer Parameter von Permafrostböden auf verschieden Raumskalen große Fortschritte bringen kann.
Die Indikatoren der Kohlenstoffdynamik in Permafrostböden sollen entlang eines 1.500 km langen Transektes in 4.600 bis 5.100 m Höhe auf dem Tibet-Plateau an Knotenpunkten (Leitstandorte) erfasst werden. Die Knoten repräsentieren die unterschiedliche Monsundynamik und damit verschiedene Temperatur- und Niederschlagsregimes sowie
Bodenlandschaften und Nutzungsintensitäten. An den Knotenpunkten werden die bodenkundlichen Indikatoren entlang einer Catena erfasst. Die mikrobiologischen Indikatoren und die hochgenaue Erfassung von Bodenfeuchte, Bodentemperatur und Redoxpotenzial erfolgen am Zentralpunkt des Knotens. Die räumliche Extrapolation erfolgt auf Basis der Indikatoren. Diese werden mit geomorphologischen Mustern aus der digitalen Reliefanalyse verschnitten und mit Boden-Vegetationskomplexen kombiniert. Letztere werden gemeinsam mit dem Weideland-Projekt der Gruppe Miehe/Mosbrugger mithilfe von Satellitendaten klassifiziert und enthalten neben den Feuchteverhältnissen insbesondere die Intensität der Beweidung und mithin die Bodendegradation. Die umfasst mithin an jedem Knotenpunkt eine Fläche von etwa 10 km².
Entsprechend der fachlich notwendigen Kompetenzen für diese Vorgehensweise ist das Projekt in zwei Arbeitspakete unterteilt. Arbeitspaket 1 beschäftigt sich mit der Permafrostdynamik in den Böden, der Pedogenese vor dem Hintergrund des aktuellen Landnutzungswandels sowie den Bodenkohlenstoffvorräten, -pools und -umsatzzeiten. Daneben werden alle bodenkundlichen Grundparameter erfasst. Arbeitspaket 2 ist in die Kernbereiche Methanbildung (2a) und Methanoxidation (2b) untergliedert. Im Zentrum von 2a stehen die anaerobe Humifizierung, die Dynamik der Archaeen-Gemeinschaften und ihr Verhalten bei Klimaänderung sowie die Methanflüsse und -emissionen. Der Kernbereich 2b beschäftigt sich mit den Relationen von anaerober zu aerober Methanoxidation und deren raum-zeitlicher Dynamik, der Qualität der organischen Bodensubstanz sowie der CO2- Bildung. Zusätzlich werden im Arbeitspaket 2b alle bodenkundlichen und mikrobiologischen Indikatoren zu einer regionalisierten Abschätzung der Senken- und Quellenfunktion der Böden für Kohlenstoff zusammengeführt. Arbeitspaket 2a misst die CH4- und CO2-Bildung und erstellt Vorhersagen von Treibhausgasemissionen entlang des Permafrosttransekts.
Dieses integrative Vorgehen auf drei Raumskalen erlaubt nicht nur eine multiskalige Beurteilung der Rolle der Böden im terrestrischen Kohlenstoffkreislauf sondern ebenso ein verbessertes Verständnis insbesondere von Rückkoppelungsprozessen zwischen molekularbiologischen und bodenkundlichen Variablen. Zusammen mit den Ergebnissen anderer Projekte des Zentralasien-Programs des BMBF wird ein verbessertes ganzheitliches
Verständnis des Risikopotenzials landnutzungsbasierter Veränderungen in Permafrost auf dem Tibet-Plateau vor dem Hintergrund des Klimawandels möglich.

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