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Invisible to the eye - Root dynamics in temperate minerotrophic peatlands under drainage and rewetting

  • Peatlands are the most space-efficient terrestrial carbon sink on earth, storing more carbon than all other vegetation types in the world combined. The amount of carbon input into peatlands is determined by the primary production and decomposition of plants. The fragile relationship between these two processes is massively disturbed by intensive land use and the associated drainage of large peatland areas, releasing as much carbon dioxide annually as global air travel. Aiming for the substantial reduction of greenhouse gas emissions, rewetting measures have been initiated worldwide to protect and sustainably manage peatlands by restoring the waterlogged conditions required for peat formation. However, the increase in droughts across Europe adds another threat for peatlands by lowering water tables and affecting plant productivity, litter decomposition and phenology, which can reduce their potential for carbon storage. Fens are minerotrophic peatlands that make up over a third of the peatland area in Europe. The growth and turnover of root biomass is particularly important for the formation and degradation of peat in fens; thus, a special focus should lie on root dynamics research. However, despite their pivotal role for peat formation, we still lack knowledge about root responses to environmental changes caused by rewetting or drought in fens. This thesis aims to advance our knowledge about root processes as well as their abiotic drivers in drained and rewetted fen peatlands of NE Germany, and how they may be affected by an extreme drought. For this purpose, destructive (i.e. in-growth cores, litter bags, soil coring) along with non-destructive measurements (i.e. minirhizotrons, NDVI) were used in situ in forested (alder forests) and graminoid-dominated (sedges and grasses) plant communities representative of the prevailing fen peatlands of Central Europe. In this thesis, I investigate the environmental drivers of root growth (Chapters I-III), the annual production and decomposition (Chapter II), phenology and temporal dynamics of root growth (Chapters I and III), and the response of root biomass distribution and their functional traits to environmental changes linked to rewetting (Chapter IV). To understand the fundamental differences in productivity of plant communities on mineral and organic soils, above-and belowground phenology and their environmental drivers were compared among different temperate ecosystems (i.e. a beech forest, a forested peatland and two graminoid-dominated fen peatlands) in Central Europe (Chapter I). The study provides evidence that generalizations of aboveground to belowground production are not likely to reflect seasonal dynamics in temperate fen peatlands. Furthermore, the study shows that fine root production can be up to 10 times higher for peatland plant communities than for a beech forest on mineral soil, highlighting the importance of roots for contributing substantially to the formation of organic soils. By comparing annual productivity and decomposition between drained and rewetted fens, it is shown that rewetted fens maintained their productivity under the drought conditions experienced in Central Europe in the year 2018, leading to a higher carbon storage potential despite similar decomposition rates (Chapter II). A deeper understanding on the drivers of this high productivity in the rewetted sites is provided by the analysis of temporal dynamics of root growth and their potential abiotic drivers (Chapter III). Here, the important role of root phenology in the maintenance of productivity of rewetted fens under drought conditions is revealed, since higher root productivity in response to rewetting was driven by an extension of the growing season rather than through a higher growth rate (Chapter III). This thesis shows that rewetting can be beneficial for plant production under drought conditions, which is central to the maintenance of the carbon sink function of peatlands (Chapters II and III). Rewetting maintained high water tables, favouring a plant community adapted to water saturation and also to fluctuating environmental conditions, and thus a community able to cope with periodic water table drawdowns that might increase in the future. Contrarily, drainage caused water tables to constantly drop below rooting depth of plants that might be adapted to drier conditions, but not drought. To gain a deeper understanding of the changes that roots undergo with rewetting and their potential effects on soil carbon storage, a fourth study focuses on the changes in biomass distribution and functional traits of roots along the soil profile (Chapter IV). Together with root age determination the study indicates higher rates of carbon turnover in shallow soil layers and higher belowground carbon investments with rewetting compared to drainage in a forested peatland. This thesis demonstrates that generalizations of phenological events from plant communities of mineral to organic soils, even though they face the same macroclimatic conditions, are misleading, as they are not subject of the same environmental controls (Chapter I). Rewetting of forest and graminoid-dominated fen peatlands supports their function as carbon sink by enhancing renewed carbon sequestration in form of root biomass (Chapters II-IV). Knowledge about root phenology is crucial to understand plant productivity of peatlands, one of the main drivers of organic matter accumulation (Chapter III). Even though roots are pivotal for mediating the input of carbon into the soil, their dynamics remain one of the least understood aspects of plant function. This thesis contributes to fill this knowledge gap by shedding light on root processes that contribute to the formation of peat and the complexity of the underlying abiotic drivers in rewetted and drained fens in face of a warmer and drier climate.
  • Moore sind die raumeffizienteste terrestrische Kohlenstoffsenke der Erde und speichern mehr Kohlenstoff als alle anderen Vegetationstypen der Welt zusammen. Die Menge des Kohlenstoffeintrags in Moore wird durch die Primärproduktion und Zersetzung von Pflanzen bestimmt. Das fragile Verhältnis zwischen diesen beiden Prozessen wird durch intensive Landnutzung und die damit verbundene Entwässerung großer Moorgebiete massiv gestört, wodurch jährlich so viel Kohlendioxid freigesetzt wird wie durch den weltweiten Flugverkehr. Mit dem Ziel, den Ausstoß von Treibhausgasen deutlich zu reduzieren, wurden weltweit Wiedervernässungsmaßnahmen initiiert, um Moore zu schützen und nachhaltig zu bewirtschaften, indem die für die Torfbildung notwendigen Staunässebedingungen wiederhergestellt werden. Die Zunahme von Dürren in ganz Europa stellt jedoch eine weitere Bedrohung für Moore dar, da sie den Grundwasserspiegel absenken und die Pflanzenproduktivität, den Streuzersetzungsprozess und die Phänologie beeinträchtigen, was ihr Potenzial zur Kohlenstoffspeicherung verringern kann. Niedermoore sind minerotroph und machen mehr als ein Drittel der Moorfläche in Europa aus. Das Wachstum und der Umsatz von Wurzelbiomasse ist besonders wichtig für die Bildung und den Abbau von Torf in Niedermooren; daher sollte ein besonderer Schwerpunkt auf der Erforschung der Wurzeldynamik liegen. Trotz ihrer zentralen Rolle für die Torfbildung fehlt es jedoch noch an Wissen über die Reaktionen der Wurzeln auf Umweltveränderungen durch Wiedervernässung oder Trockenheit in Niedermooren. Ziel dieser Arbeit ist es, unser Wissen über Wurzelprozesse sowie deren abiotische Einflussfaktoren in entwässerten und wiedervernässten Niedermooren in Nordostdeutschland zu erweitern und zu untersuchen, wie diese durch eine extreme Trockenheit beeinflusst werden können. Zu diesem Zweck wurden sowohl destruktive (z.B. ingrowth cores, litter bags, soil cores) als auch nicht-destruktive Messungen (z.B. Minirhizotrone, NDVI) vor Ort in bewaldeten (Erlenbruchwälder) und graminoid-dominierten (Seggen und Gräser) Pflanzengemeinschaften durchgeführt, die repräsentativ für die vorherrschenden Niedermoore Mitteleuropas sind. In dieser Arbeit untersuche ich die Umweltfaktoren, die das Wurzelwachstum beeinflussen (Kapitel I-III), die jährliche Produktion und Zersetzung (Kapitel II), die Phänologie und zeitliche Dynamik des Wurzelwachstums (Kapitel I und III) sowie die Reaktion der Verteilung der Wurzelbiomasse und ihrer funktionalen Eigenschaften auf Umweltveränderungen in Verbindung mit Wiedervernässung (Kapitel IV). Um die grundlegenden Unterschiede in der Produktivität von Pflanzengemeinschaften auf mineralischen und organischen Böden zu verstehen, wurden die ober- und unterirdische Phänologie und ihre Umweltfaktoren in verschiedenen Ökosystemen der gemäßigten Breiten (d.h. ein Buchenwald, ein bewaldetes Moor und zwei graminoid-dominierte Moore) in Mitteleuropa verglichen (Kapitel I). Die Studie liefert Beweise dafür, dass Verallgemeinerungen der oberirdischen auf die unterirdische Produktion wahrscheinlich nicht die saisonale Dynamik in Mooren der gemäßigten Breiten widerspiegeln. Darüber hinaus zeigt die Studie, dass die Feinwurzelproduktion in Moor-Pflanzengemeinschaften bis zu 10-mal höher sein kann als in einem Buchenwald auf Mineralboden, was die Bedeutung von Wurzeln für die Bildung organischer Böden deutlich macht. Durch den Vergleich der jährlichen Produktivität und des Abbaus zwischen entwässerten und wiedervernässten Niedermooren wird gezeigt, dass wiedervernässte Niedermoore ihre Produktivität unter den Trockenheitsbedingungen in Mitteleuropa im Jahr 2018 aufrechterhalten konnten, was trotz ähnlicher Abbauraten zu einem höheren Kohlenstoffspeicherpotenzial führte (Kapitel II). Ein tieferes Verständnis der Triebkräfte dieser hohen Produktivität in den wiedervernässten Standorten wird durch die Analyse der zeitlichen Dynamik des Wurzelwachstums und ihrer potenziellen abiotischen Einflussfaktoren vermittelt (Kapitel III). Hier zeigt sich die wichtige Rolle der Wurzelphänologie für die Aufrechterhaltung der Produktivität wiedervernässter Niedermoore unter Trockenheitsbedingungen, da die höhere Wurzelproduktivität als Reaktion auf die Wiedervernässung eher durch eine Verlängerung der Vegetationsperiode als durch eine höhere Wachstumsrate angetrieben wurde (Kapitel III). Diese Arbeit zeigt, dass Wiedervernässung unter Trockenheitsbedingungen für die Pflanzenproduktion von Vorteil sein kann, was für die Aufrechterhaltung der Kohlenstoffsenkenfunktion von Mooren zentral ist (Kapitel II und III). Die Wiedervernässung hielt den Grundwasserspiegel hoch und begünstigte eine Pflanzengemeinschaft, die sowohl an die wassergesättigten Bedingungen als auch an schwankende Umweltbedingungen angepasst ist und somit in der Lage ist, mit periodischen Absenkungen des Grundwasserspiegels zurechtzukommen, die in Zukunft zunehmen könnten. Im Gegensatz dazu führte die Entwässerung dazu, dass der Grundwasserspiegel ständig unter die Wurzeltiefe von Pflanzen sank, die zwar an trockenere Bedingungen angepasst sind, aber nicht an Trockenheit. Um ein tieferes Verständnis der Veränderungen zu erlangen, die Wurzeln bei Wiedervernässung durchlaufen, und deren mögliche Auswirkungen auf die Kohlenstoffspeicherung im Boden, konzentriert sich eine vierte Studie auf die Veränderungen der Biomasseverteilung und der funktionellen Eigenschaften von Wurzeln entlang des Bodenprofils (Kapitel IV). Zusammen mit der Bestimmung des Wurzelalters zeigt die Studie höhere Raten des Kohlenstoffumsatzes in flachen Bodenschichten und höhere unterirdische Kohlenstoffinvestitionen bei Wiedervernässung im Vergleich zur Entwässerung in einem bewaldeten Moorgebiet. Diese Arbeit zeigt, dass Verallgemeinerungen phänologischer Ereignisse von Pflanzengemeinschaften mineralischer und organischer Böden, auch wenn sie den gleichen makroklimatischen Bedingungen ausgesetzt sind, irreführend sind, da sie nicht den gleichen Umweltkontrollen unterliegen (Kapitel I). Die Wiedervernässung von wald- und graminoiddominierten Niedermooren unterstützt deren Funktion als Kohlenstoffsenke, indem sie die erneute Kohlenstoffspeicherung in Form von Wurzelbiomasse fördert (Kapitel II-IV). Das Wissen über die Wurzelphänologie ist entscheidend für das Verständnis der Pflanzenproduktivität von Mooren, einer der Haupteinflussfaktoren der Akkumulation organischer Substanz (Kapitel III). Obwohl Wurzeln für die Vermittlung des Kohlenstoffeintrags in den Boden von zentraler Bedeutung sind, bleibt ihre Dynamik einer der am wenigsten verstandenen Aspekte der Pflanzenfunktion. Diese Arbeit trägt dazu bei, diese Wissenslücke zu schließen, indem sie die Wurzelprozesse, die zur Bildung von Torf beitragen, und die Komplexität der zugrundeliegenden abiotischen Faktoren in wiedervernässten und entwässerten Niedermooren angesichts eines wärmeren und trockeneren Klimas beleuchtet.

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frontdoor_oas
Metadaten
Author: Sarah Schwieger
URN:urn:nbn:de:gbv:9-opus-46814
Title Additional (German):Unsichtbar für das Auge - Wurzeldynamik in gemäßigten Niedermooren bei Entwässerung und Wiedervernässung
Referee:Prof. Dr. Jürgen Kreyling, Prof. Dr. Vicky Temperton, Prof. Scott Wilson
Advisor:Prof. Dr. Jürgen Kreyling, Dr. Gesche Blume-Werry
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2021
Date of first Publication:2021/07/05
Granting Institution:Universität Greifswald, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
Date of final exam:2021/07/01
Release Date:2021/07/05
Tag:drainage; minirhizotrons; peatlands; rewetting; root ecology
GND Keyword:Moor, Ökologie / Pflanzen
Page Number:110
Faculties:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Botanik und Landschaftsökologie & Botanischer Garten
DDC class:500 Naturwissenschaften und Mathematik / 580 Pflanzen (Botanik)