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Growth responses of peatland pines : can peatland Scots pines (Pinus sylvestris) be used as dendroecological proxies to peatland hydrology and environment?

  • Peatlands are wetland ecosystems covering a relatively small area of the World (~3%), but at the same time storing excessive amounts of carbon for a very long time (equivalent to the four times global annual net primary production). As carbon sinks, peatlands work in spite of their slow growth, absorbing carbon dioxide (CO2) through the photosynthetic activity of the peatland plants and their low growth rates, and because high groundwater table removes oxygen from the soil and slows down the decomposition of the dead plant matter. Because of the relative lack of the oxygen in the peat, especially compared to the mineral soils, methanogen populations in the peatlands are abundant, and releasing methane (CH4), a potent greenhouse gas, to the atmosphere. Therefore, peatlands are generally at the same time significant carbon sinks and stores as well as the methane sources. The balance among the two peatland gass fluxes (CO2 and CH4) will dictate the impact of any given peatland on the global climate and primarily driven by hydrology, in the form of the groundwater table levels. Because of the slow decomposition rates, and from radiocarbon dating of the peat as well as the subfossil records buried in it, carbon stored in peatlands is locked for a very long time (centuries to millennia). It is, therefore, crucial to gain insights into the development of peatlands and their gas balance through time. One way to get both is by studying peatland hydrology in the form of the groundwater table levels and their historical variations. Unfortunately, intensive monitoring of peatland groundwater table, when available, is an only a recent endeavor. Therefore, we need to employ proxies to reconstruct the past by leveraging the present. In statistics, proxy variables are often used when the observations of the variable of interest, are either missing or too difficult to obtain. In this thesis, I tested whether we can use the radial growth of the Scots pines growing on peat as proxies to the peatland hydrology. To that end, I studied growth responses of the peatland Scots pines. Other proxies can and are used for the reconstructions of the groundwater table levels, but tree-growth is widely used as one of the proxies to reconstruct past environments which is at the same time annually resolved. First, I examined the growth ecology of the peatland Scots pines by looking at their intra-annual development and trying to find relationships between it and environmental factors while at the same time comparing it with the Scots pines growing at the forest sites. I first tried with wood anatomy and found that, unfortunately, peatland Scots pines do not form enough wood cells, and consequently do not have high temporal resolution, necessary to investigate the intra-annual patterns of the radial growth. Initial results from wood anatomical investigations were interesting none-the-less, indicating that peatland Scots pines might have smaller cell features than the Scots pines from forests, but might at the same time maintain Early/Latewood ratios of those same features. After I found that wood anatomical series were not resolved enough I decided to go with dendrometers, linear displacement sensors which constantly monitor the variations of stem radius, to get insights into the intra-annual growth patterns of the peatland Scots pines. Before using dendrometers for ecological investigations, I was involved in implementing routines commonly used in the analysis of the dendrometer signals and bringing them to R in the form of the dendrometeR package. At one peatland complex, I installed dendrometers on ten trees in total at both peatland and forest sites and compared the pattern of the standardized signal. I inferred from the comparisons and classifications that the signal from two sites was indistinguishable for the dendrometer series shorter than five days. Furthermore, the most important environmental factor driving the radial variation at the peatland site was hydrological, daily relative humidity, indicating further that peatland hydrology might indeed be the driver behind peatland Scots pine growth. Finally, I looked at the growth responses of peatland Scots pines from central Estonia using dendrochronological methods. Peatland hydrology, in the form of the groundwater table levels, was indeed the environmental factor with the strongest, and also stationary, correlations with the radial growth of the peatland Scots pine. That relationship indicated that peatland Scots pines are indeed possible proxies for reconstructing past levels of the peatland groundwater tables. My study further indicated that the growth response of the peatland Scots pines was non-linear, further complicating the reconstructions of the past peatland hydrology. However, the strength of the growth response was proportional to the general hydrological regime, expressed as median groundwater table level. As the hydrological regime of the peatland does not vary considerably on the annual scales, but more on decadal it might be more appropriate to find another, independent, proxy to the hydrological regime first, and than use annually resolved radial growth of the peatland Scots pine to reconstruct past levels of the peatland groundwater table.
  • Moore sind Feuchtgebietsökosysteme, die eine relativ kleine Fläche der Welt bedecken (~ 3%), gleichzeitig aber sehr lange übermäßig viel Kohlenstoff speichern (entspricht der vierfachen globalen jährlichen Nettoprimärproduktion). Als Kohlenstoffsenken arbeiten Torfmoore trotz ihres langsamen Wachstums und absorbieren Kohlendioxid (CO2) durch die photosynthetische Aktivität der Torfpflanzen und ihre geringen Wachstumsraten. Außerdem wird durch den hohen Grundwasserspiegel Sauerstoff aus dem Boden entfernt und die Zersetzung der Torfmoore verlangsamt abgestorbene Pflanzenmasse. Aufgrund des relativen Sauerstoffmangels im Torf, insbesondere im Vergleich zu den Mineralböden, sind Methanogenpopulationen im Torf reichlich vorhanden und setzen Methan (CH4), ein starkes Treibhausgas, an die Atmosphäre frei. Moore sind daher in der Regel gleichzeitig bedeutende Kohlenstoffsenken und -speicher sowie die Methanquellen. Das Gleichgewicht zwischen den beiden Moorgasflüssen (CO2 und CH4) bestimmt die Auswirkungen eines Moores auf das globale Klima und wird in erster Linie durch die Hydrologie in Form der Grundwasserspiegel bestimmt. Aufgrund der langsamen Zersetzungsraten und der Radiokohlenstoffdatierung des Torfs sowie der darin vergrabenen Subfossilien ist Kohlenstoff, der in Torfgebieten gespeichert ist, für eine sehr lange Zeit (Jahrhunderte bis Jahrtausende) gebunden. Es ist daher von entscheidender Bedeutung, Einblicke in die Entwicklung von Mooren und deren Gasbilanz über die Zeit zu gewinnen. Eine Möglichkeit, beides zu erreichen, ist das Studium der Moorhydrologie in Form der Grundwasserspiegel und ihrer historischen Variationen. Unglücklicherweise ist eine intensive Überwachung des Torfgrundwasserspiegels, sofern verfügbar, erst seit kurzem ein Bestreben. Daher müssen wir Proxies einsetzen, um die Vergangenheit durch Nutzung der Gegenwart zu rekonstruieren. In der Statistik werden häufig Proxy-Variablen verwendet, wenn die Beobachtungen der interessierenden Variablen fehlen oder zu schwierig zu erhalten sind. In dieser Arbeit habe ich getestet, ob wir das radiale Wachstum der auf Torf wachsenden Waldkiefern als Proxies für die Moorhydrologie verwenden können. Zu diesem Zweck untersuchte ich die Wachstumsreaktionen der Torfkiefern. Andere Proxys können und werden für die Rekonstruktion der Grundwasserspiegel verwendet, aber Baumwachstum wird häufig als einer der Proxys verwendet, um frühere Umgebungen zu rekonstruieren, die gleichzeitig jährlich aufgelöst werden. Zuerst untersuchte ich die Wachstumsökologie der Torfkiefern, indem ich ihre intra-jährliche Entwicklung untersuchte und versuchte, Beziehungen zwischen ihr und Umweltfaktoren zu finden, während ich sie gleichzeitig mit den an den Waldstandorten wachsenden Torfkiefern verglich. Ich habe es zuerst mit der Holzanatomie versucht und festgestellt, dass Torfkiefern leider nicht genügend Holzzellen bilden und folglich keine hohe zeitliche Auflösung haben, die zur Untersuchung der intra-jährlichen Muster des radialen Wachstums erforderlich ist. Die ersten Ergebnisse der anatomischen Holzuntersuchungen waren dennoch interessant, was darauf hindeutet, dass Torfkiefern kleinere Zellmerkmale aufweisen als Torfkiefern aus Wäldern, aber gleichzeitig ein Früh- / Latewood-Verhältnis dieser Merkmale beibehalten können. Nachdem ich feststellte, dass die anatomischen Holzreihen nicht ausreichend aufgelöst waren, entschied ich mich für Dendrometer, lineare Wegsensoren, die die Variationen des Stielradius ständig überwachen, um Einblicke in die intra-jährlichen Wachstumsmuster der Moorschottenkiefern zu erhalten. Bevor ich Dendrometer für ökologische Untersuchungen verwendete, war ich an der Implementierung von Routinen beteiligt, die häufig bei der Analyse der Dendrometersignale verwendet werden, und brachte sie in Form des dendrometeR-Pakets zu R. In einem Moorkomplex habe ich an insgesamt zehn Bäumen sowohl im Moor als auch im Wald Dendrometer installiert und das Muster des standardisierten Signals verglichen. Aus den Vergleichen und Klassifizierungen folgerte ich, dass das Signal von zwei Stellen für die Dendrometerserie, die kürzer als fünf Tage war, nicht zu unterscheiden war. Darüber hinaus war der wichtigste Umweltfaktor für die radiale Variation am Moorstandort die hydrologische, tägliche relative Luftfeuchtigkeit, was darauf hindeutet, dass die Hydrologie des Moores in der Tat der Motor für das Torfwachstum sein könnte. Schließlich untersuchte ich die Wachstumsreaktionen von Torfkiefern aus Zentralestland mit dendrochronologischen Methoden. Die Moorhydrologie in Form der Grundwasserspiegel war in der Tat der Umweltfaktor mit den stärksten und auch stationären Korrelationen mit dem radialen Wachstum der Moorkiefer. Diese Beziehung wies darauf hin, dass Torfkiefern tatsächlich mögliche Stellvertreter für die Rekonstruktion früherer Ebenen des Torfgrundwasserspiegels sind. Meine Studie zeigte ferner, dass die Wachstumsreaktion der Torfkiefern nicht linear war, was die Rekonstruktionen der früheren Torfhydrologie weiter erschwert. Die Stärke der Wachstumsreaktion war jedoch proportional zum allgemeinen hydrologischen Regime, ausgedrückt als mittlerer Grundwasserspiegel. Da das hydrologische Regime des Torfes auf der Jahresskala nicht wesentlich variiert, sondern eher dekadisch ist, ist es möglicherweise besser, zuerst ein anderes, unabhängiges Proxy für das hydrologische Regime zu finden und dann das jährlich aufgelöste radiale Wachstum des Torfes zu verwenden Rekonstruktion früherer Torfgrundwasserspiegel.

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Metadaten
Author: Marko Smiljanic
URN:urn:nbn:de:gbv:9-opus-33252
Title Additional (German):Wachstumsreaktionen von Torfkiefern : können Torfkiefern (Pinus sylvestris) als dendroökologische Stellvertreter für die Hydrologie und Umwelt von Torfmooren verwendet werden?
Referee:Prof. Dr. Martin Wilmking, Prof. Dr. Achim Bräuning
Advisor:Prof. Dr. Martin Wilmking
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2019
Date of first Publication:2019/11/08
Granting Institution:Universität Greifswald, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
Date of final exam:2019/07/15
Release Date:2019/11/08
GND Keyword:Dendrochronologie , Moor , Kiefer <Gattung>
Pagenumber:74
Faculties:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Botanik und Landschaftsökologie & Botanischer Garten
DDC class:500 Naturwissenschaften und Mathematik / 580 Pflanzen (Botanik)