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Greenhouse gas emissions from flooded cutover fens in Belarus

  • Over thousands of years, peatlands around the world have accumulated carbon (C) stocks of global importance. Drainage for agriculture, forestry and peat extraction has transformed many peatlands from long-term sinks into strong sources of carbon dioxide (CO2). Peat extraction is worldwide responsible for about ten percent of drained peatlands and is mainly carried out in northern countries and Eastern Europe. In Belarus, 0.3 Mha of peatlands are drained for peat extraction, which is twelve percent of the country's peatland area. From 2006 to 2013, 21,333 ha of this area have been rewetted to protect these peatlands from fire and further degradation, reduce their greenhouse gas (GHG) emissions, turn them back into C sinks and promote biodiversity. A further 260,000 ha are no longer used for peat extraction and their rewetting would be a great benefit for nature conservation and climate protection. Rewetting of abandoned peat extraction areas usually leads to inundation of large areas where not adapted plants die and new species establish, depending on water level and nutrient conditions. Beavers, of which there are many in Belarus, also play an important role in the rewetting of peatlands. They dam up ditches in drained and rewetted peatlands, thus contributing to water level increases and vegetation changes. The aim of this PhD thesis was to investigate the impact of inundation on vegetation and GHG emissions in formerly extracted fens in Belarus, to determine the role of water level in this process, and to study whether such fens develop back into C sinks with an almost neutral GHG balance within one or two decades after rewetting (Papers II and III). Also the potential of beaver activities for peatland restoration was assessed (Paper III). Two very different fens, rewetted after peat extraction, were chosen as study areas. The first one, Giel'cykaŭ Kašyl, is a former flood mire and was rewetted with water from the Jasiel'da River in 1985. During the study period 2010–2012 this site was a shallow lake (~ 1 m deep) dominated by very productive, tall reed. Shallower areas along the edges had a partly floating vegetation cover of cattail (Typha latifolia, T. angustifolia) and sedges (Carex elata, C. vesicaria). The second fen, Barcianicha, is fed by groundwater. Rewetting from 1995 onwards resulted in water levels at or slightly above surface and a lower nutrient availability compared to Giel'cykaŭ Kašyl'. This was reflected in the establishment of mesotrophic communities of Eriophorum angustifolium and Carex rostrata. Phragmites australis stands, which were also dominant here, were shorter and less productive than in Giel'cykaŭ Kašyl'. The southern area of Barcianicha was not used for peat extraction and has not been rewetted. Until 2009 vegetation of this part was characterized by forbs (Urtica dioica) and wet meadows (Agrostis stolonifera). From autumn 2009, a beaver dam in the main drainage ditch caused flooding of these areas and led to diverging vegetation development depending on water levels. Within the framework of this doctoral thesis annual fluxes of CO2, methane (CH4) and nitrous oxide (N2O) and the development of water levels and vegetation were monitored for two years at nine sites and evaluated (Papers II and III). Three of the sites, respectively, were located (a) in Giel’cykaŭ Kašyl’, flooded in 1985, (b) in the central area of Barcianicha, which was rewetted in 1995, and (c) in the southern part of Barcianicha, which was flooded by beavers end of 2009. GHG measurements were carried out with manual chambers from August 2010 to September 2012. Annual net CO2 exchange rates (NEE) were modeled based on light response curves of gross primary production (GPP) and on temperature response curves of ecosystem respiration (Reco), which were determined every third to fourth week by alternating measurements with transparent (cooled) and opaque chambers (both with fan) along the daily amplitude of photosynthetically active radiation (PAR) and temperature. Annual CH4 emissions were calculated mainly based on the temperature response of CH4 fluxes over the course of the year, based on biweekly (in summer) to monthly (in winter) repeated single measurements with opaque chambers (without fan). This was done, although all longer rewetted sites were dominated by aerenchymatic plants whose gas transport during the vegetation period may change over the course of the day and can be influenced by shading. This might apply to the six longer rewetted sites, two of which were dominated by Phragmites australis, and the others by Typha latifolia, Carex elata, Carex rostrata or Eriophorum angustifolium. For these six sites therefore studies on the daily course of CH4 release and the influence of chamber shade were conducted, covering 8–24 hours and lasting at least from sunrise to afternoon. Also the extent to which flux rates were affected by a lack of chamber headspace mixing by fans was investigated in the mentioned studies (Papers I and II). The daytime course of CH4 emissions showed a pronounced dynamic for Phragmites australis in both fens, with minimum release during the night and maximum during the day (Paper I). The other sites in contrast did not show a significant diurnal CH4 flux dynamic (Paper II). Lack of headspace mixing by fans as compared to chambers with fan resulted in a slight underestimation of CH4 emissions at very high chambers (220 and 250 cm), as used for Phragmites australis in Giel'cykaŭ Kašyl', while there was no difference at lower chambers (≤185 cm), as used for the other sites. Opaque chambers resulted for sites dominated by Typha latifolia and Carex elata in significantly (1.2 times and 1.1 times, respectively) lower CH4 fluxes compared to transparent chambers. For the other sites, opaque chambers did not significantly reduce CH4 emissions. This result was unexpected, especially for Phragmites australis, as PAR out of all parameters tested had the strongest influence on CH4 emissions from both reed sites, and clouds directly led to reduction of their emissions. Presumably the gas flow in the reed shoots located within opaque chambers was maintained by shoots outside the chamber that were connected to the enclosed shoots by rhizomes (Paper I). The investigations showed that single measurements between 9 a.m. and 6 p.m. with opaque chambers without fan, as performed for the determination of annual CH4 fluxes, resulted for Carex rostrata and Eriophorum angustifolium in estimates similar to the daily mean, but for Phragmites australis in estimates that were rather above the daily mean. Annual CH4 fluxes from Phragmites australis could therefore be slightly overestimated. CH4 fluxes from Typha latifolia and Carex elata during the vegetation period were corrected by a factor of 1.2, although darkness inside of opaque chambers matters only at day, not at night. Daily and annual CH4 fluxes from these sites have been therefore most likely slightly overestimated, too. Water saturation and the establishment of adapted vegetation were the most important conditions for the restoration of C sinks (gaseous CO2 and CH4 fluxes) in the investigated peatlands. The only site with falling water levels in summer and thus temporarily aerated peat was the beaver flooded forbs (Urtica dioica) site at Barcianicha. This site was a very strong CO2 emitter and the only significant N2O source of the entire study (Paper III). All other sites were permanently wet, had much lower CO2 emissions or were even net C sinks (Papers II and III). Establishment of adapted vegetation depended on inundation depth and time since rewetting. For example, within one year the meadow site in Barcianicha shallowly flooded by beaver was colonized by Carex rostrata and other adapted helophytes and developed into a CO2 sink, while the deeper flooded site at the same meadow initially attracted only Chara and some individuals of Alisma plantago aquatica and remained a moderate CO2 source. However, the results of the longer rewetted sites show, that also deeply (~ 1 m) flooded fen areas can become densely populated with mire plants in the course of 25 years and develop into net C sinks. Highest annual C uptake in both fens was achieved by the reed sites. Eriophorum angustifolium and Carex rostrata in mesotrophic Barcianicha were smaller C sinks. Typha latifolia and Carex elata in the eutrophic Giel'cykaŭ Kašyl', on the other hand, released CO2, presumably because the high and fluctuating water levels imposed stress to the plants, and because the large supply of nutrients and dead plant material allowed for strong heterotrophic respiration (Paper II). The simultaneously high CH4 emissions made Typha latifolia and Carex elata major sources of GHG. CH4 emissions from Phragmites australis in Giel'cykaŭ Kašyl' were even higher, but due to extremely high CO2 uptake the site was only a small net GHG source. CH4 emissions in Barcianicha were much lower and comparable to undisturbed sedge fens. The difference between Giel'cykaŭ Kašyl' and Barcianicha was mainly due to the different nutrient supply and the related productivity of the plants. Important conclusions are that stable inundation is an appropriate measure for restoration of the C sink of formerly extracted fens, but nutrient input with water needs to be stopped or reduced in order to decrease CH4 production. If this is not possible, establishment of Phragmites australis and other strong C sinks could help to compensate for the climate impact of high CH4 emissions from eutrophic sites. The effect of the beaver dam on the development of the southern part of Barcianicha depended not only on the initial situation but mainly on the water level. Under optimal conditions, it led to the rapid establishment of adapted mire plants, the restoration of a C sink and a significant reduction of GHG emissions. However, this situation in the shallowly flooded meadow was achieved by chance. In comparison to planned rewetting measures, which aim to raise the water level evenly over the entire peatland, beavers dam ditches in order to improve their immediate habitat, thus influencing water levels only up to a certain distance, but rarely over the entire peatland. Nevertheless, beaver activity is of high value both for mire conservation projects, where existing dams are supplemented by beaver dams, and for abandoned, drained peatlands, like former peat extraction areas in Belarus, many of which at least partially have been rewetted by beavers.
  • Im Laufe von tausenden von Jahren haben die Moore weltweit Kohlenstoffvorräte (C-Vorräte) von globaler Bedeutung akkumuliert. Entwässerung für Landwirtschaft, Forstwirtschaft und Torfabbau hat viele Moore von langfristigen Senken zu starken Quellen von Kohlendioxid (CO2) gemacht. Torfabbau ist für etwa zehn Prozent der entwässerten Moorfläche verantwortlich und wird überwiegend in den nördlichen Ländern und Osteuropa durchgeführt. In Belarus sind 0,3 Mha für Torfabbau entwässert, das sind zwölf Prozent der Moorfläche des Landes. Von 2006 bis 2013 wurde 21.333 ha davon wiedervernässt, um diese Flächen vor Feuer und weiterer Degradation zu schützen, ihre Treibhausgasemissionen (THG-Emissionen) zu mindern, sie wieder zu C-Senken zu machen und die Biodiversität zu fördern. Weitere 260.000 ha werden nicht mehr für den Torfabbau genutzt und ihre Wiedervernässung wäre ein großer Gewinn für den Natur- und Klimaschutz. Wiedervernässung von aufgelassenen Torfabbauflächen führt meist zur Flutung großer Bereiche, in denen die nicht angepassten Pflanzen absterben und sich neue Arten entsprechend des Wasserstandes und der Nährstoffbedingungen ansiedeln. Für die Wiedervernässung von Mooren spielen auch Biber, von denen es in Belarus sehr viele gibt, eine wichtige Rolle. Biber stauen Gräben in entwässerten und wiedervernässten Mooren an und tragen so zu Wasserstandsanhebungen und Vegetationsveränderungen bei. Das Ziel dieser Doktorarbeit war es zu ermitteln, wie sich der Überstau in ehemals für Torfabbau genutzten Niedermooren in Belarus auf Vegetation und THG-Emissionen auswirkt, welche Rolle dabei der Wasserstand spielt, und ob sich solche Moore in einem bis zwei Jahrzehnten nach Wiedervernässung wieder in C-Senken mit annähernd neutraler Klimabilanz entwickeln (Papers II und III). Dabei wurde auch das Potential von Biberaktivitäten für die Moorrestauration beurteilt (Paper III). Als Untersuchungsgebiete wurden zwei sehr unterschiedliche, nach Torfabbau wiedervernässte Niedermoore gewählt. Das erste, Giel’cykaŭ Kašyl’, ist ein ehemaliges Überflutungsmoor, das 1985 mit Wasser des Flusses Jasiel’da wiedervernässt wurde und im Untersuchungszeitraum 2010–2012 einen Flachwassersee (~ 1 m tief) darstellte, der von sehr produktivem und hochwüchsigem Schilfröhricht eingenommen war. Die randlichen, flacheren Bereiche wiesen eine schwingende Vegetationsdecke aus Rohrkolben (Typha latifolia, T. angustifolia) und Seggenbulten (Carex elata, C. vesicaria) auf. Das zweite Niedermoor, Barcianicha, ist von Grundwasser gespeist und die Wiedervernässung ab 1995 führte zu Wasserständen an oder leicht über der Geländeoberfläche und zu einer im Vergleich zu Giel’cykaŭ Kašyl’ deutlich nährstoffärmeren Situation. Das spiegelte sich zum einen in der Etablierung mesotropher Gesellschaften aus Eriophorum angustifolium und Carex rostrata wider. Zum anderen waren die auch hier dominanten Phragmites australis Bestände deutlich niedrigwüchsiger und weniger produktiv als in Giel’cykaŭ Kašyl’. Der südliche Bereich von Barcianicha wurde nicht abgetorft und nicht wiedervernässt und war bis 2009 von Staudenfluren (Urtica dioica) und Feuchtwiesen (Agrostis stolonifera) geprägt. Ab Herbst 2009 führte ein Biberdamm im Hauptentwässerungsgraben dazu, dass diese Flächen geflutet wurden und die Vegetation sich je nach Wasserstand unterschiedlich entwickelte. Im Rahmen dieser Doktorarbeit wurden die Austauschraten von CO2, Methan (CH4) und Lachgas (N2O) und die Entwicklung der Wasserstände und Vegetation an neun Standorten für zwei Jahre beobachtet und anschließend ausgewertet. Jeweils drei der Standorte befanden sich (a) im 1985 gefluteten Giel’cykaŭ Kašyl’, (b) im 1995 wiedervernässten, zentralen Bereich von Barcianicha, und (c) im Ende 2009 durch Biber gefluteten, südlichen Teil Barcianichas. Die THG-Messungen wurden von August 2010 bis September 2012 mit manuellen Hauben durchgeführt. Das Modellieren der jährlichen Netto CO2 Austauschraten (NEE) erfolgte auf Grundlage von Lichtreaktionskurven der Bruttoprimärproduktion (GPP) und Temperaturreaktionskurven der Ökosystematmung (Reco), die jede dritte bis vierte Woche durch einander abwechselnde Messungen mit transparenten (gekühlt) und undurchsichtigen Hauben (beide mit Ventilator) entlang der Tagesamplitude von photosynthetisch aktiver Strahlung (PAR) und Temperatur neu bestimmt wurden. Jährliche CH4-Freisetzungsraten wurden überwiegend anhand der Temperaturreaktion der CH4-Flüsse im Jahresverlauf berechnet, wobei als Grundlage zweiwöchentlich (im Sommer) bis monatlich (im Winter) mit undurchsichtigen Hauben (ohne Ventilator) durchgeführte Einzelmessungen dienten, obwohl alle länger vernässten Standorte von aerenchymatischen Pflanzen dominiert waren, deren Gastransport während der Vegetationszeit sich im Tagesverlauf ändern und durch Beschattung beeinflusst werden kann. Das betrifft die sechs schon länger vernässten Standorte, von denen zwei von Phragmites australis, und die übrigen von Typha latifolia, Carex elata, Carex rostrata oder Eriophorum angustifolium dominiert waren. Für diese sechs Standorte wurden daher Studien zum Tagesverlauf der CH4-Freisetzung und dem Einfluss der Beschattung durch undurchsichtige Hauben durchgeführt, die 8–24 Stunden umfassten und dabei mindestens von Sonnenaufgang bis in den Nachmittag dauerten. Dabei wurde auch untersucht, wie stark sich die fehlende Durchmischung der Haubenatmosphäre durch Ventilator auf die Flussraten auswirkt. (Papers I and II). Die Studien zum Tagesverlauf der CH4-Emissionen zeigten für Phragmites australis in beiden Niedermooren eine ausgeprägte Dynamik, mit minimalen Freisetzungsraten in der Nacht und maximalen am Tag (Paper I). Die anderen Standorte hingegen wiesen keine deutliche Tagesdynamik der CH4-Flüsse auf (Paper II). Das Fehlen eines Ventilators zur Durchmischung der Haubenluft führte bei sehr hohen Hauben (220 und 250 cm), wie sie für Phragmites australis in Giel’cykaŭ Kašyl’ verwendet wurden, zu einer leichten Unterschätzung der CH4-Emissionen im Vergleich zu Hauben mit Ventilator, während es bei niedrigeren Hauben (≤185 cm), wie an den übrigen Standorten verwendet, keinen Unterschied gab. Lichtundurchlässige Hauben führten im Vergleich zu transparenten Hauben für die von Typha latifolia und Carex elata dominierten Standorte zu signifikant (1,2- bzw. 1,1-mal) niedrigeren CH4-Flüssen. Bei den übrigen Standorten führten lichtundurchlässige Hauben zu keiner signifikanten Verringerung der CH4-Emissionen. Dieses Ergebnis war insbesondere für Phragmites australis unerwartet, denn PAR hatte von allen getesteten Parametern den größten Einfluss auf die CH4-Emissionen beider Schilfstandorte und Wolken führten unmittelbar zur Verringerung der Emissionen. Vermutlich wurde der Gasfluss in den unter undurchsichtigen Hauben befindlichen Schilfhalmen durch Halme aufrechterhalten, die sich außerhalb der Beschattung befanden und mit den eingeschlossenen Halmen über Rhizome verbunden waren (Paper I). Die Untersuchungen zeigten, dass einmalige Messungen zwischen 9 und 18 Uhr mit undurchsichtigen Hauben ohne Ventilator, wie sie für die Ermittlung der Jahresbilanzen durchgeführt wurden, für Carex rostrata und Eriophorum angustifolium Werte ergaben, die dem Tagesmittel entsprachen, für Phragmites australis aber eher über dem Tagsmittel lagen, so dass die jährliche CH4-Freisetzung der Schilfstandorte etwas überschätzt sein könnte. Die für Typha latifolia und Carex elata ermittelten CH4-Flüsse wurden für die Vegetationszeit um den Faktor 1,2 korrigiert, obwohl die Beschattung in den lichtundurchlässigen Hauben nur tagsüber, aber nicht nachts Bedeutung hat, was vermutlich zu einer leichten Überschätzung des Tagesmittels und der jährlichen CH4-Freisetzung dieser Standorte geführt hat. Wassersättigung und Etablierung angepasster Vegetation waren die wichtigsten Bedingungen zur Wiederherstellung der C-Senken der untersuchten Moore. Der einzige Standort mit sommerlich fallenden Wasserständen und dadurch zeitweilig belüftetem Torf war die durch Biber flach überstaute Brennnesselstaudenflur in Barcianicha; sie wies extrem hohe CO2-Freisetzungsraten auf und war die einzige bedeutende N2O-Quelle der gesamten Studie (Paper III). Alle anderen Standorte waren permanent nass, hatten wesentlich geringere CO2 Emissionen oder waren sogar netto C-Senken (Papers II and III). Die Etablierung angepasster Vegetation hing von der Überstauhöhe und der Zeit seit der Wiedervernässung ab. So wurde der durch Biber flach überstaute Wiesenstandort in Barcianicha innerhalb eines Jahres von Carex rostrata und anderen angepassten Helophyten besiedelt und entwickelte sich zu einer CO2 Senke, während der höher überstaute Standort auf der gleichen Wiese vorerst nur Chara und einige Individuen von Alisma plantago aquatica anzog und eine moderate CO2-Quelle blieb. Wie die Ergebnisse der länger wiedervernässten Standorte zeigen, können auch höher (~ 1 m) überstaute Niedermoorbereiche im Laufe von 25 Jahren dicht mit Helophyten besiedelt werden und sich zu C-Senken entwickeln. Höchste jährliche C-Festlegungsraten wurden in beiden Mooren von den Schilfstandorten erreicht. Eriophorum angustifolium und Carex rostrata Bestände im mesotrophen Barcianicha waren kleinere C-Senken. Typha latifolia und Carex elata Bestände im eutrophen Giel’cykaŭ Kašyl’ dagegen setzten CO2 frei, vermutlich, weil die hohen und schwankenden Wasserstände für die Pflanzen Stress bedeuteten, und weil der große Vorrat an Nährstoffen und abgestorbenem Pflanzenmaterial eine starke heterotrophe Atmung ermöglichte (Paper II). Die gleichzeitig hohen CH4-Emissionen machten Typha latifolia und Carex elata Bestände zu großen THG-Quellen. Die Methanemissionen von Phragmites australis in Giel’cykaŭ Kašyl’ waren noch höher, aber die gleichzeitig extrem hohe CO2-Aufnahme ergab eine nur geringe netto THG-Quelle. Die CH4-Emissionen in Barcianicha waren viel niedriger und vergleichbar mit ungestörten Seggenmooren. Der Unterschied zwischen Giel’cykaŭ Kašyl’ und Barcianicha war vor allem durch die unterschiedliche Nährstoffversorgung und die damit zusammenhängende Produktivität der Pflanzen bedingt. Wichtige Schlussfolgerungen sind, dass stabiler Überstau eine geeignete Maßnahme zur Wiederherstellung der C-Senke abgetorfter Niedermoore ist, dass aber der Eintrag von Nährstoffen mit dem Wasser unterbunden oder reduziert werden muss, damit die CH4-Produktion abnimmt. Wenn das nicht möglich ist, könnte die Etablierung von Phragmites australis und anderen starken C-Senken helfen, die Klimawirkung der hohen CH4-Emissionen von eutrophen Standorten zu kompensieren. Die Wirkung des Biberdamms auf die Entwicklung des südlichen Teils von Barcianicha hing neben der Ausgangssituation vor allem vom Wasserstand ab und führte unter optimalen Bedingungen zur schnellen Etablierung von angepassten Moorpflanzen, der Wiederherstellung einer C-Senke und einer deutlichen Reduktion der THG-Emissionen. Diese Situation in der flach überstauten Wiese wurde allerdings zufällig erreicht. Im Vergleich zu geplanten Wiedervernässungsmaßnahmen, die ein gleichmäßiges Anheben des Wasserstandes im gesamten Moor anstreben, stauen Biber Gräben an, um ihren unmittelbaren Lebensraum für sich optimal zu gestalten, und beeinflussen dadurch die Wasserstände nur bis in gewisse Entfernung, aber selten im gesamten Moor. Dennoch ist die Aktivität der Biber von hohem Wert sowohl für Moorschutzprojekte, indem bestehende Staueinrichtungen durch Biberdämme ergänzt werden, als auch für aufgelassene, entwässerte Moore, wie die ehemaligen Torfabbauflächen in Belarus, von denen viele zumindest teilweise durch Biber wiedervernässt worden sind.

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Author: Merten Christian Minke
Title Additional (German):Treibhausgasemissionen von wiedervernässten, vorher abgetorften Niedermooren in Belarus
Referee:Prof. Dr. Dr. h. c. Hans Joosten, Prof. Dr. Stephan Glatzel
Advisor:Prof. Dr. Dr. h. c. Hans Joosten
Document Type:Doctoral Thesis
Year of Completion:2020
Date of first Publication:2020/11/09
Granting Institution:Universität Greifswald, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
Date of final exam:2020/10/19
Release Date:2020/11/09
Tag:Phragmites australis, beaver flooding, convective gas flow, greenhouse gas emission, methane, peat extraction, peatland, rewetting, wetland plant
GND Keyword:Biber, Methan, Moor, Schilf, Torfabbau, Treibhausgas, Wiedervernässung
Faculties:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Botanik und Landschaftsökologie & Botanischer Garten
DDC class:500 Naturwissenschaften und Mathematik / 550 Geowissenschaften, Geologie
500 Naturwissenschaften und Mathematik / 570 Biowissenschaften; Biologie