AG Böden im Klimasystem

Die Forschungsgruppe trägt zur Untersuchung der Rolle der Moore und Permafrostlandschaften im Klimasystem und im globalen Kohlenstoffkreislauf bei durch:

• das Erfassen hochwertiger Messdaten zu den Land-Atmosphären- sowie den Land-Hydrosphären-Austauschflüssen von Wasser, Kohlenstoff und Nährstoffen in wenig untersuchten Moor- und Permafrostgebieten, die der Erdwissenschaftsgemeinschaft zur Verfügung gestellt werden,
• die Optimierung der Methodik zur Messung der Ökosystemaustauschflüsse,
• die Analyse der komplexen Steuerung der vertikalen CH4-, CO2- und Wasserflüsse sowie der lateralen Kohlenstoff- und Nährstoffflüsse durch bodeneigene, hydrologische und atmosphärische Prozesse,
• die Untersuchung der ausgeprägten flächenhaften Variabilität der Kohlenstoff- und Nährstoffdynamik im Pedon- und Landschaftsmaßstab und der Konsequenzen für Massenbilanzschätzungen und Hochskalierungsansätze,
• die Nutzung des erworbenen Prozessverständnisses zur Implementierung, Parametrisierung und Validierung von Feuchtgebiets- und Permafrostmodulen in mechanistischen Erdsystemmodellen,
• und die Entwicklung neuer statistischer Methoden für Modell-Messdaten-Vergleiche.

Arktische Permafrostlandschaften in Nordostsibirien

In Zusammenarbeit mit der Forschungsgruppe von Prof. Dr. Julia Boike vom Alfred-Wegener-Institut in Potsdam untersuchen wir das Boden-Wasser-Atmosphären-System in Permafrostlandschaften des Lena-Flussdeltas in Nordostsibirien. Im Jahr 2009 haben wir ein neues, hochmodernes mikrometeorologisches System zur Bestimmung der Land-Atmosphären-Flüsse von Energie, Wasser, CO₂ und CH₄ auf der Insel Samoylov im zentralen Lena-Flussdelta (72°N, 126°E) aufgebaut. Dieses System ist heute eines der am besten ausgestatteten und anerkanntesten Beobachtungssysteme für Land-Atmosphären-Flüsse in der Arktis. Die Untersuchungen wurden in den folgenden Jahren um Messungen des Abflusses aus dem zentralen, von Polygonen bedeckten Wassereinzugsgebiet der Insel erweitert, so dass die lateralen Flüsse von Wasser und Kohlenstoff in Budgetstudien einbezogen werden können. Andere Arbeiten in Nordostsibirien im Rahmen des von der DFG finanzierten Polygon-Projekts haben sich auf die räumliche Variabilität der Nährstoffverfügbarkeit in Permafrostböden konzentriert.

Motivation

Permafrostböden sind Langzeitspeicher für global bedeutsame Mengen an Kohlenstoff, Stickstoff und anderen Elementen, die sich über Jahrhunderte bis Jahrtausende aufgrund der wassergesättigten und kalten Bodenbedingungen angesammelt haben. Der Klimawandel könnte zu ausgeprägten Veränderungen des Energie- und Wasserhaushaltes von Permafrostböden und zu einer teilweisen Freisetzung des gespeicherten Kohlenstoffs und Stickstoffs entweder in die Atmosphäre in Form von Treibhausgasen oder in die aquatischen Systeme durch lateralen wassergebundenen Elementexport führen.

Aufgrund dieser positiven Rückkopplung auf die Klimaerwärmung werden diese kohlenstoffreichen Systeme als Kippelemente des Klimasystems betrachtet. Vorhersagen darüber, wie sich diese Landschaften unter einem sich ändernden Klima entwickeln könnten, sind jedoch immer noch höchst unsicher, was auf (i) einen Mangel an Beobachtungsdaten, insbesondere für die Arktis und Russland, (ii) ein immer noch unzureichendes Verständnis der vielen nichtlinear miteinander verknüpften Boden-, Vegetations- und Atmosphärenprozesse, die auf verschiedenen räumlichen und zeitlichen Skalen wirken, und (iii) die fehlende Darstellung der Permafrost- und Feuchtgebietsdynamik in den meisten aktuellen Erdsystemmodellen zurückzuführen ist. Wir gehen diese drei Probleme in enger Zusammenarbeit mit verschiedenen Modellierungs- und Messarbeitsgruppen an der UHH und anderen wissenschaftlichen Mitarbeitern an.

Wiedervernässter Torfabbau-Standort Himmelmoor bei Hamburg

Das bewirtschaftete Moor "Himmelmoor" befindet sich 21 km nordwestlich der Stadt Hamburg. Das Moor wurde über mehrere Jahrzehnte für den Torfabbau genutzt, wobei in den letzten 50 Jahren eine starke Mechanisierung stattgefunden hat. Heute wird immer noch Torfabbau betrieben, aber ca. 50 % der Fläche sind nun ohne Nutzung und werden in den nächsten Jahren wiederhergestellt. Für unser Projekt ist der Wandel von einem intensiv abgebauten Torfland zu einem nahezu unberührten Ökosystem von hohem Interesse. Insbesondere interessieren wir uns dafür, wie und warum sich der Austausch von Energie, Wasser und Spurengasen als Reaktion auf die Wiedervernässung des Moores verändern wird. Im Jahr 2011 installierten wir einen Eddy-Kovarianz-Turm, um die Flüsse von Energie, Wasser, Kohlendioxid und Methan zu messen. Zusätzlich planen wir, Messungen in einer geschlossenen Kammer durchzuführen, um unser Wissen über die mikroskalige Variabilität der Spurengasflüsse zu verbessern.

Neben unserer Forschung im "Himmelmoor" nutzen wir das Gelände auch für die Ausbildung von Bachelor- und Masterstudenten. Unser Ziel ist es, Studenten in der gesamten Bandbreite der Ökosystemwissenschaften im Zusammenhang mit Flussmessungen auszubilden. Dazu gehören die technische Schulung an den verschiedenen Geräten, das Management komplexer Datensätze und mathematische sowie statistische Analysen.

Wir arbeiten eng mit LI-COR Biosciences GmbH zusammen. Als Partner arbeiten wir gemeinsam an der Ausbildung von Studenten und Wissenschaftlern auf dem Gebiet der Eddy-Kovarianz-Methodik.