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Julia Schneider

• Carbon dioxide (CO2) is one of the most important factors of the Earth’s carbon cycle. Peatlands are well-known to be a long term sink for atmospheric carbon dioxide. Under changing environmental conditions, the carbon balance and hence the CO2 fluxes can be significantly changed, and peatlands may even become a significant atmospheric carbon source. To be able to predict the changes in climatic conditions and their effects on ecosystems, it is important to understand the contemporary CO2 exchange of the ecosystems. Many studies on peatland CO2 fluxes have been conducted in the boreal zone of North America and Scandinavia. Still little scientific evidence is available from peatland ecosystems of boreal Russia. This dissertation presents the detailed investigation of CO2 dynamics and the relevant processes and environmental factors from the boreal peatland site Ust-Pojeg (61°56'N, 50°13'E) in Komi Republic, northwest Russia. On the small spatial scale (microform), the investigated peatland was characterised by high variability in vegetation composition and coverage as well as in water table level which resulted in large variability in CO2 fluxes not only between the microform types but also within one microform type. The cumulative flux over the investigation period for the different microforms ranged from strong CO2 sources to CO2 sinks. An area-weighted estimate for the entire peatland showed that it was a CO2 source for the investigation period, which was characterised by average conditions in terms of precipitation and temperature. The CO2 fluxes were measured at different scales: by the closed chamber method at the microform scale and by the eddy covariance technique at the ecosystem scale. Three different upscaling methods were used to compare the fluxes. Irrespective of the upscaling methods, the discrepancies between the estimates based on the upscaled chamber measurements and estimates based on measurements by the eddy covariance technique were high. The high spatial heterogeneity of the vegetation and the water table level and thus of the CO2 fluxes were recognised as reasons for high potential errors when upscaling CO2 fluxes from the microform to the ecosystem level. Large discrepancies were also observed in comparison between measured CO2 fluxes and CO2 estimates based on the mechanistic ecosystem model LPJ-GUESS. Insufficient model forcing may have led to errors in the timing of the onset and the end of the growing season, and the modelled vegetation did not always reproduce the observed vegetation. These two factors may have led to the discrepancies in the model-measurement comparison. Although the closed chamber technique is widely used for measurements of CO2 fluxes between ecosystems and the atmosphere, the errors which might occur during the measurement itself or which are associated with the used measurement devices as well as the flux calculation from chamber-based CO2 concentration data are still under discussion. The study showed that the CO2 fluxes measured by the closed chamber method can be overestimated during low-turbulence nighttime conditions and can be seriously biased by inappropriate application of linear regression for the flux calculation. The methodological studies were conducted at the boreal peatland Salmisuo in eastern Finland (62°46'N, 30°58'E). The methods developed in this dissertation could contribute significantly to improved CO2 flux estimates. VI
• Kohlendioxid (CO2) ist einer der wichtigsten Faktoren des globalen Kohlenstoffkreislaufes. Moore sind als langfristige Senken für das CO2 aus der Atmosphäre bekannt. Jedoch können Veränderungen der Umweltbedingungen zu signifikanten Veränderungen von Kohlenstoffflüssen und zu Verschiebungen in der Kohlenstoffbilanz führen. Damit könnten sich die Moore zu einer bedeutenden Quelle atmosphärischen Kohlenstoffs entwickeln. Um die Klimaveränderungen sowie ihre Wirkung auf die Ökosysteme vorhersagen zu können, ist es entscheidend, die rezenten Prozesse des CO2-Austausches zwischen der Atmosphäre und den Ökosystemen besser zu verstehen. In den letzten Jahrzehnten wurden zahlreiche Studien zu CO2-Flüssen in Mooren der borealen Zone von Nordamerika und Skandinavien durchgeführt. Im Vergleich dazu gibt es nur wenige Studien über Moorökosysteme Russlands. Die vorliegende Dissertation präsentiert eine umfassende Untersuchung der CO2-Dynamik, sowie der relevanten Prozesse und Umweltfaktoren des borealen Moores Ust-Pojeg (61°56'N, 50°13'E), welches sich in der Republik Komi (Nordwesten Russlands) befindet. Das untersuchte Moor war auf der kleinräumlichen Skala (Mikrostandort) durch eine große Variabilität der Vegetationszusammensetzung und –bedeckung sowie des Wasserstandes gekennzeichnet. Diese Variabilität der Umweltfaktoren spiegelte sich in der hohen Variabilität der CO2-Flüsse wider, nicht nur zwischen den unterschiedlichen Mikrostandorttypen sondern auch innerhalb eines Mikrostandorttyps. Der kumulative CO2-Fluss für den untersuchten Zeitraum schwankte in Abhängigkeit vom Mikrostandorttyp zwischen starker CO2-Quelle und CO2-Senke. Das Ergebnis einer flächengewichteten Abschätzung für das gesamte Moor zeigte, dass das Moor im Untersuchungszeitraum, welcher in Bezug auf die Temperatur und die Niederschlagsmenge als durchschnittlich zu kennzeichnen ist, eine CO2-Quelle war. Die CO2-Flüsse wurden auf zwei verschiedenen Skalen gemessen: mit dem Gaskammer-Messsystem auf der Skala der Mikrostandorte und mit der Eddy-Kovarianz-Methode auf der Skala des Ökosystems. Anschließend wurden drei verschiedene Methoden zur Hochrechnung angewandt, um die gemessenen CO2-Flüsse zu vergleichen. Dabei wurden unabhängig von der Methode der Hochrechnung, große Unterschiede zwischen den CO2-Flüssen der hochskalierten Gaskammer-Messungen und denen der Eddy-Kovarianz-Messungen, gefunden. Als Ursache für den hohen potentiellen Fehler beim Hochskalieren der CO2-Flüsse wurde die große räumliche Heterogenität der Vegetation und des Wasserstandes identifiziert. Große Abweichungen wurden ebenfalls beim Vergleich der gemessenen CO2-Flüsse mit den durch das mechanistische Ökosystem-Modell LPJ-GUESS modellierten CO2-Flüssen festgestellt. Ein unzureichender Modellantrieb könnte zu Fehlern in der Bestimmung des Zeitpunktes für den Beginn und das Ende der Vegetationsperiode geführt haben. Des Weiteren stimmten die modellierte Vegetation und die Vegetation vor Ort nicht immer überein. Diese zwei Faktoren könnten zu den Abweichungen zwischen den gemessenen und den modellierten CO2-Flüssen geführt haben. Die Gaskammer-Methode gehört nach wie vor zu den am weitesten verbreiteten Methoden zur Messung von CO2-Flüssen zwischen Ökosystemen und Atmosphäre. Jedoch sind die Fehler, die während einer Messung auftreten können oder die mit den Messinstrumenten in Verbindung stehen sowie die Fehler, die aus der Berechnung der CO2-Flüsse aus den CO2-Konzentrationen in der Gaskammer resultieren, weiterhin Gegenstand der wissenschaftlichen Diskussion. Die vorliegende Arbeit zeigt, dass die CO2-Flüsse, die mit der Gaskammer-Methode in turbulenzarmen Nächten gemessen wurden, überschätzt sein können und dass Berechnungen von CO2-Flüssen stark fehlerbehaftet sein können, wenn die lineare Regression unsachgemäß angewendet wird. Die methodologischen Studien wurden im borealen Moor Salmisuo, welches sich im Osten Finnlands (62°46'N, 30°58'E) befindet, durchgeführt. Die in dieser Arbeit entwickelten Methoden könnten wesentlich zu einer verbesserten Abschätzung des CO2-Austausches zwischen der Atmosphäre und den Ökosystemen beitragen.