Der Treibhausgasaustausch von landwirtschaftlich genutzten Niedermoorflächen im Pfrunger-Burgweiler Ried : Identifikation von Einflussfaktoren und Bezug zur Landnutzungsintensität

Abstract

Seit der industriellen Revolution sind, durch die Nutzung fossiler Brennstoffe, die atmosphärischen Konzentrationen von Kohlendioxid, Methan und Lachgas drastisch gestiegen. Durch den Treibhauseffekt führt dies zur Veränderung des globalen Klimas und somit der Lebensbedingungen auf der Erde. Obwohl Moore nur ca. 3 % der Landfläche ausmachen, sind in ihnen bedeutende Mengen Kohlenstoff gebunden. In Mitteleuropa wurden diese Kohlenstoffvorräte in den letzten 10 000 Jahren der Atmosphäre durch Moorbildung entzogen. Durch Torfabbau, Trockenlegung und landwirtschaftliche Nutzung wurde und wird dieser Kohlenstoff in relativ kurzer Zeit wieder freigesetzt. Ein dräniertes Moor verliert durch mikrobiellen, aeroben Abbau konstant den gebundenen Kohlenstoff in Form von Kohlendioxid oder ggf. sogar als noch potenteres Treibhausgas Methan. Somit ist heutzutage der Moorschutz nicht nur durch den Artenschutz, sondern auch durch den Klimaschutz motiviert. Durch Renaturierung sollen degradierte Moorkörper von einer Kohlenstoffquelle wieder in eine Kohlenstoffsenke umgewandelt oder zumindest stabilisiert werden. In Baden-Württemberg ist das Pfrunger-Burgweiler Ried schon allein wegen seiner Größe eines der bedeutendsten Gebiete. Nach etwa 200 Jahren „Urbarmachung“, Torfabbau und Trockenlegung wurde es mit dem Naturschutzgroßprojekt der 2000er Jahre großflächig restauriert, landwirtschaftlich extensiviert und wiedervernässt. Die vorliegende Arbeit hat zum Ziel die Hauptfaktoren für Emissionen im Pfrunger-Burgweiler Ried zu identifizieren, den Effekt der Extensivierung bezüglich Treibhausgasemissionen zu evaluieren und daraus Schlussfolgerungen für das Feuchtgebietsmanagement abzuleiten. Hierzu wurden die Hypothesen aufgestellt, dass: Extensivierung die Treibhausgasemissionen reduziert und dass Extensivierung den Kohlenstoffverlust aus dem Boden stoppt. Dazu wurden im Niedermoorgürtel des Pfrunger-Burgweiler Riedes fünf unterschiedlich stark extensivierte landwirtschaftliche Flächen (Maisacker - 3x Grünland - Seggenried) ausgewählt und über zwei bzw. drei Jahre regelmäßig beprobt. Erfasst wurden die Gasflüsse von CO2, N2O und CH4 sowie Begleitparameter wie bspw. O2 im Boden, Pegelstand, Bodenparameter, Mikroklima und Vegetation. Ausgehend von diesen Daten wurden: die Dynamik der CO2-Flüsse modelliert, die Gasflüsse von Lachgas und Methan erfasst, der Einfluss der Boden-Sauerstoffverfügbarkeit auf die Emissionen und der Einfluss der Hydraulik auf metabolische Prozesse untersucht. Ebenfalls wurde ein Ansatz zur Analyse multifaktorieller Emissionsregime entwickelt. Im Rahmen dieser Arbeit wurden erstmals mehrjährige Treibhausgas-Bilanzen für das zweitgrößte Moor Baden-Württembergs erstellt. Weiterhin wurde der Einfluss der Landnutzungsform auf die Emissionen untersucht. Es ergaben sich standortspezifische Grenzwerte für das Umschlagen von oxischen zu anoxischen Bedingungen im Boden, in Abhängigkeit vom Pegelstand. Die Kombination von Pegelstand und Bodentemperatur ermöglichte die Identifikation von Emissionsregimen. Insbesondere Überstau und extrem niedere Pegelstände führten zu hohen CH4 bzw. CO2 Emissionen. Als Hauptfaktoren, welche den Gashaushalt bestimmen, ließen sich Mikroklima und Hydrologie, Bodeneigenschaften und die Nutzung identifizieren. Besonders bedeutsam ist der Pegelstand, da er eine Vielzahl nachgeschalteter Faktoren wie bspw. die Sauerstoffverfügbarkeit bestimmt. Die Nutzungsform stellte sich im Vergleich als bedeutender als die intrinsischen Bodeneigenschaften heraus. Insgesamt waren die intensiv genutzten Standorte (Maisacker und güllegedüngtes Grünland) stärkere Treibhausgasquellen als die nur extensiv genutzten Wiesen. Die Extensivierung reduziert folglich die Emissionen. Allerdings zeigten die am stärksten extensivierten Standorte anfänglich ebenfalls hohe Emissionen. Dies kann durch den Wandel von einem trockenadaptierten zu einem vernässten Standort erklärt werden und ist nur vorübergehender Natur. Keiner der fünf Standorte war eine C-Senke, jedoch waren die gedüngten Intensivstandorte deutlich stärkere C-Quellen als die extensivierten Standorte. Neben der Nutzungsform bieten sich hauptsächlich die Pegelstände als Ansatzmöglichkeit für das Management an. Über die Pegelstände werden indirekt die Vegetationszusammensetzung und die Sauerstoffverfügbarkeit im Torfkörper beeinflusst. Somit ergeben sich folgende Schlussfolgerungen: Ackerbauliche Nutzung von Niedermooren ist kritisch zu sehen, da es trotz hoher Biomasseerträge nicht zu einer langfristigen Kohlenstofffixierung kommt. Intensivgrünlandnutzung ist mit geringerer Biodiversität und hohem Nährstoffeintrag verbunden. Insgesamt führt diese Nutzung zur stärksten C-Abgabe. Eine deutliche Emissionsreduktion war, im repräsentativeren Jahr 2014, von Intensiv- auf Extensivnutzung zu beobachten. Bereits ab dieser Extensivierungsstufe konnten Emissionen reduziert werden, wobei eine landwirtschaftliche Nutzung immer noch möglich war. Gerade naturnahe Standorte sind empfindlicher, was Pegel Extrema anbelangt. Pegelstände von etwa -20 cm GOK sind für Niedermoore günstiger als Überstau. Die Wiedervernässung von ehemals intensiv genutzten Standorten sollte behutsam durchgeführt werden, um ein plötzliches Absterben der Vegetation verbunden mit Emissionen zu verhindern.

Since the industrial revolution, atmospheric levels of carbon dioxide, nitrous oxide and methane have been rising drastically, due to the use of fossil fuels. Because of the greenhouse effect, this leads to the change of the global climate and thus of the living conditions on earth. Although, peatlands cover only about 3% of the land surface, considerable amounts of carbon are bound within them. In Central Europe these carbon stocks have been sequestered from the atmosphere during the last 10 000 years by peatland formation. By peat mining, drainage and agricultural use this carbon was and is released within relatively short time. A drained peatland loses, through microbial aerobic decomposition, constantly the bound carbon in form of carbon dioxide or in form of the, even more potent greenhouse gas, methane. Thus, nowadays peatland protection is not only motivated by species protection but also by climate protection. By means of restoration, degraded peat bodies are supposed to be transformed from a carbon source to a carbon sink or at least to be stabilized. In Baden-Württemberg the Pfrunger-Burgweiler Ried is, alone because of its extent, one of the most eminent peatlands. After approximately 200 years of ‘land reclamation’, peat mining and drainage, it has undergone large scale restoration, extensification and rewetting. This was performed by means of a major nature protection project in the 2000s years. The goal of the present work is to identify the main factors affecting emissions in the Pfrunger-Burgweiler Ried, to evaluate the effect of extensification towards greenhouse gas emissions and to draw therefrom conclusions for peatland management. Therefore, it was hypothesized that extensification reduces greenhouse gas emissions and that extensification stops carbon loss from soil. For this purpose, five sites in the fen belt of the Pfrunger-Burgweiler Ried with differing degree of extensification (maize field - 3x grasslands – sedge fen) were chosen and regularly sampled over two respectively three years. The gas fluxes of CO2, N2O and CH4 were assessed, as well as environmental parameters like O2 in soil, groundwater level, soil parameters, micro climate and vegetation. Based on this data, the dynamics of CO2 fluxes were modeled, the fluxes of nitrous oxide and methane, the influence of soil oxygen availability on emissions were assessed and it was investigated how the hydraulics influence metabolic processes. In addition, a new approach was developed for the analysis of multifactorial emission regimes. Within the scope of this work, the first multiyear greenhouse gas balances were assessed, for the second largest peatland of Baden-Württemberg. Furthermore, it was investigated how land use influences emissions. Site specific threshold values were obtained, indicating anoxic conditions in soil depending on water level. The combination of water level and soil temperature allowed the identification of emission regimes. Particularly, water level above ground and extremely low water levels lead to high CH4 respectively CO2 emissions. The main factors, which control the gas exchange, were identified to be micro climate and hydrology, soil properties and land use. The water level is of special importance, as it influences a multitude of subsequent factors like oxygen availability. Land use turned out to be of greater importance than intrinsic soil properties. Overall, the intensively used sites (maize and manure fertilized grassland) were more severe greenhouse gas sources than the just extensively used meadows and pastures. Thus, extensification reduced emissions. However, the sites with the highest degree of extensification showed in the beginning high emissions as well. This can be explained by the transition from a dry adapted towards a rewetted site and it is of temporary nature. None of the five sites was a carbon sink, albeit the fertilized intensive sites were distinct stronger C sources than the extensified sites. Besides land use, mainly water levels qualify as measure for management. Vegetation composition and oxygen availability in the peat body are indirectly controlled by water level. Hence following conclusions are drawn: Agricultural use of fens has to be seen critical. Although there are high biomass yields, there is no long-term carbon sequestration. Use as intensive grassland is accompanied by lower biodiversity and high nutrient input. Overall, this type of land use leads to the highest C release. A distinct reduction of emissions was observed, in the more representative year 2014, from intensive to extensive land use. Already on this level, emissions could be reduced while still allowing for a certain degree of agricultural use. Especially near natural sites are more sensitive in regard of water level extremes. Water levels of approximately 20 cm above surface level are for fens more beneficial than water levels above ground. Rewetting of formerly intensively used sites should be carried out cautiously, in order to prevent a sudden die back of vegetation, associated with high emissions.