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Methan und Feuchtgebiete

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Einige Artikel, die ich gelesen habe, zeigen, dass die Kohlenstoffakkumulation (Torf) in Feuchtgebieten aufgrund geringer Methanemissionen reduziert wird. Warum ist dies der Fall?

Warum reduziert eine geringe Methan-Emission die Kohlenstoffakkumulation in Feuchtgebieten?


Feuchtgebiete sind wahrscheinlich für den Anstieg des Treibhausgases verantwortlich: Studie

Ein überraschender Anstieg des atmosphärischen Methans in letzter Zeit ist wahrscheinlich auf die Emissionen von Feuchtgebieten zurückzuführen, was darauf hindeutet, dass laut einer neuen internationalen Studie unter der Leitung einer Universität viel mehr des potenten Treibhausgases in die Atmosphäre gepumpt werden wird, wenn die nördlichen Feuchtgebiete weiter auftauen und die tropischen sich erwärmen des Welfenforschers.

Die Studie unterstützt Forderungen nach einer verbesserten Überwachung von Feuchtgebieten und menschlichen Veränderungen dieser Ökosysteme – ein aktuelles Thema, während der Zwischenstaatliche Ausschuss für Klimaänderungen (IPCC) sich darauf vorbereitet, die Auswirkungen der Landnutzung auf die Treibhausgasemissionen zu untersuchen, sagt Prof. Merritt Turetsky, Department of Integrative Biology .

Turetsky ist der Hauptautor eines heute veröffentlichten Artikels in Biologie des globalen Wandels basierend auf einer der umfangreichsten Analysen der weltweiten Methanemissionen. Das Team untersuchte fast 20.000 Felddatenmessungen, die von 70 Standorten in arktischen, gemäßigten und tropischen Regionen gesammelt wurden.

Agnieszka Kotowska, eine ehemalige Masterstudentin, und David Olefeldt, Postdoc bei Guelph, gehörten ebenfalls zu den 19 Studienkoautoren aus Kanada, den USA, Großbritannien, Finnland, Deutschland und Schweden.

Methan, eines der stärksten Treibhausgase, stammt aus der Landwirtschaft und der Nutzung fossiler Brennstoffe sowie aus natürlichen Quellen wie Mikroben in gesättigten Feuchtgebieten.

Die Menge an atmosphärischem Methan ist seit etwa einem Jahrzehnt relativ stabil geblieben, aber 2007 begannen die Konzentrationen wieder zu steigen. Wissenschaftler glauben, dass dieser Anstieg zum Teil darauf zurückzuführen ist, dass mehr Methan aus den auftauenden nördlichen Feuchtgebieten freigesetzt wird.

Wissenschaftler gehen davon aus, dass die Methanfreisetzung aus Feuchtgebieten in den Tropen am größten ist, sagte Turetsky.

„Unsere Analysen zeigen jedoch, dass nördliche Moore, wie sie beim Auftauen des Permafrosts entstehen, trotz ihrer kalten Temperaturen vergleichbare Emissionen wie warme Standorte in den Tropen aufweisen können. Das ist sehr wichtig, wenn es darum geht, die Methanfreisetzung auf globaler Ebene zu skalieren.“

Die Studie fordert bessere Methoden zur Erkennung verschiedener Arten von Feuchtgebieten und Methanfreisetzungsraten zwischen überfluteten und entwässerten Gebieten.

Moore sind die häufigste Art von Feuchtgebieten in Kanada, aber es fehlen uns grundlegende wissenschaftliche Ansätze für die Kartierung von Mooren mit Fernerkundungsprodukten, sagte sie.

„Fenne sind nicht nur eine der stärksten Quellen für Treibhausgase in Feuchtgebieten, sondern wir wissen auch, dass kanadische Wälder und Tundra, die von Permafrostböden unterlagert sind, auftauen und diese Art von Ökosystemen mit hoher Methanproduktion entstehen.“

Die meisten Methanstudien konzentrieren sich auf Messungen an einem einzigen Standort, sagte Ko-Autor Narasinha Shurpali von der University of Eastern Finland. „Unsere Synthese von Daten von einer großen Anzahl von Beobachtungspunkten auf der ganzen Welt ist einzigartig und erfüllt einen wichtigen Bedarf.“

Das Team zeigte, dass kleine Temperaturänderungen viel mehr Methan aus Feuchtgebieten in die Atmosphäre freisetzen können. Aber ob der Klimawandel die Methanemissionen erhöhen wird, hängt von der Bodenfeuchtigkeit ab, sagte Turetsky.

Unter wärmeren und feuchteren Bedingungen wird viel mehr Gas emittiert. Wenn Feuchtböden durch Verdunstung oder menschliche Entwässerung austrocknen, sinken die Emissionen – aber nicht ohne andere Probleme.

In früheren Studien fand Turetsky heraus, dass das Austrocknen von Mooren mehr Waldbrände entfachen kann.

Ein weiterer Co-Autor der Studie, Kim Wickland, United States Geological Survey, sagte: „Diese Studie liefert wichtige Daten für eine bessere Berechnung der Veränderung der Methanemissionen nach der Entwässerung und Überschwemmung von Feuchtgebieten.“

Die Methanemissionen variieren zwischen natürlichen und gestörten oder bewirtschafteten Feuchtgebieten, sagt Wickland, der dem IPCC geholfen hat, die Methoden zur Berechnung der Treibhausgasemissionen aus bewirtschafteten Feuchtgebieten zu verbessern.

Turetsky hat einen kanadischen Forschungslehrstuhl für Integrative Ökologie inne. Sie und ihre Studenten untersuchen, wie Ökosysteme das Klima an Feldstandorten in Kanada und Alaska regulieren.


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In: Biologie des globalen Wandels, Bd. 19, Nr. 5, 05.2013, S. 19 1325-1346.

Forschungsergebnis : Beitrag zu Zeitschrift › Artikel › peer-review

T1 - Methanemissionen aus Feuchtgebieten

T2 - Biogeochemische, mikrobielle und modellierende Perspektiven auf lokaler bis globaler Ebene

N2 - Das Verständnis der Dynamik von Methan (CH4)-Emissionen ist von größter Bedeutung, da CH4 das 25-fache des Treibhauspotenzials von Kohlendioxid (CO2) besitzt und derzeit das zweitwichtigste anthropogene Treibhausgas ist. Feuchtgebiete sind die größte natürliche CH4-Quelle mit mittleren Emissionen aus veröffentlichten Studien von 164 Tg pro Jahr, was etwa einem Drittel der globalen Gesamtemissionen entspricht. Wir bieten eine Perspektive auf wichtige neue Grenzen für ein besseres Verständnis der CH4-Dynamik in natürlichen Systemen mit einem Schwerpunkt auf Feuchtgebieten. Eine der aufregendsten jüngsten Entwicklungen auf diesem Gebiet ist der Versuch, die unterschiedlichen Methoden und räumlichen Skalen der Biogeochemie, molekularen Mikrobiologie und Modellierung zu integrieren, und daher ist dies ein Hauptaugenmerk dieses Aufsatzes. Unsere spezifischen Ziele bestehen darin, eine aktuelle Synthese von Schätzungen der globalen CH4-Emissionen aus Feuchtgebieten und anderen aquatischen Süßwasserökosystemen bereitzustellen, die wichtigsten biogeophysikalischen Kontrollen von CH4-Emissionen aus Feuchtgebieten kurz zusammenzufassen, neue Grenzen in der CH4-Biogeochemie vorzuschlagen, die Beziehungen zwischen der Methanogen-Gemeinschaft zu untersuchen Struktur und CH4-Dynamik in situ sowie die Überprüfung der aktuellen Generation von CH4-Modellen. Wir heben einige der dringendsten Probleme im Zusammenhang mit dem globalen Wandel und Rückmeldungen zu CH4-Emissionen aus natürlichen Ökosystemen hervor. Zu den größten Unsicherheiten bei der Schätzung aktueller und zukünftiger CH4-Emissionen aus natürlichen Ökosystemen gehören: (i) Eine Reihe wichtiger Kontrollen für CH4-Produktion, -Verbrauch und -Transport wurden nicht oder nur unzureichend in bestehende biogeochemische CH4-Modelle integriert. (ii) Erhebliche Fehler bei regionalen und globalen Emissionsschätzungen werden aus großräumigen Extrapolationen von sehr heterogenen und oft schlecht kartierten Feuchtgebietskomplexen abgeleitet. (iii) Die begrenzte Anzahl von Beobachtungen von CH4-Flüssen und ihren zugehörigen Umweltvariablen schränkt die Parametrisierung von prozessbasierten biogeochemischen Modellen lose ein.

AB - Das Verständnis der Dynamik von Methan (CH4)-Emissionen ist von größter Bedeutung, da CH4 das 25-fache des Treibhauspotenzials von Kohlendioxid (CO2) besitzt und derzeit das zweitwichtigste anthropogene Treibhausgas ist. Feuchtgebiete sind die größte natürliche CH4-Quelle mit mittleren Emissionen aus veröffentlichten Studien von 164 Tg pro Jahr, was etwa einem Drittel der globalen Gesamtemissionen entspricht. Wir bieten eine Perspektive auf wichtige neue Grenzen für ein besseres Verständnis der CH4-Dynamik in natürlichen Systemen mit einem Schwerpunkt auf Feuchtgebieten. Eine der spannendsten jüngsten Entwicklungen auf diesem Gebiet ist der Versuch, die unterschiedlichen Methoden und räumlichen Skalen der Biogeochemie, molekularen Mikrobiologie und Modellierung zu integrieren, und daher ist dies ein Hauptaugenmerk dieses Aufsatzes. Unsere spezifischen Ziele bestehen darin, eine aktuelle Synthese von Schätzungen der globalen CH4-Emissionen aus Feuchtgebieten und anderen aquatischen Süßwasserökosystemen bereitzustellen, die wichtigsten biogeophysikalischen Kontrollen von CH4-Emissionen aus Feuchtgebieten kurz zusammenzufassen, neue Grenzen in der CH4-Biogeochemie vorzuschlagen, die Beziehungen zwischen der Methanogen-Gemeinschaft zu untersuchen Struktur und CH4-Dynamik in situ sowie die Überprüfung der aktuellen Generation von CH4-Modellen. Wir heben einige der dringendsten Probleme im Zusammenhang mit dem globalen Wandel und Rückmeldungen zu CH4-Emissionen aus natürlichen Ökosystemen hervor. Zu den größten Unsicherheiten bei der Schätzung aktueller und zukünftiger CH4-Emissionen aus natürlichen Ökosystemen gehören: (i) Eine Reihe wichtiger Kontrollen für CH4-Produktion, -Verbrauch und -Transport wurden nicht oder nur unzureichend in bestehende biogeochemische CH4-Modelle integriert. (ii) Erhebliche Fehler bei regionalen und globalen Emissionsschätzungen werden aus großräumigen Extrapolationen von sehr heterogenen und oft schlecht kartierten Feuchtgebietskomplexen abgeleitet. (iii) Die begrenzte Anzahl von Beobachtungen von CH4-Flüssen und ihren zugehörigen Umweltvariablen schränkt die Parametrisierung von prozessbasierten biogeochemischen Modellen lose ein.


Neue Studie enthüllt Mechanismen zur Regulierung der Methanemissionen in Süßwasser-Feuchtgebieten

Athen, Georgia – Obwohl sie einen kleinen Teil der Erdoberfläche einnehmen, sind Süßwasser-Feuchtgebiete die größte natürliche Quelle für Methan, das in die Atmosphäre gelangt. Neue Forschungsergebnisse der University of Georgia identifizieren einen unerwarteten Prozess, der als wichtiger Gatekeeper bei der Regulierung der Methanemissionen aus diesen Süßwasserumgebungen fungiert.

Die von Samantha Joye und Kollegen in Nature Communications veröffentlichte Studie beschreibt, wie hohe Raten anaerober Methanoxidation, ein Prozess, der in diesen Umgebungen einst als unbedeutend galt, die atmosphärischen Methanemissionen aus Süßwasser-Feuchtgebieten erheblich reduzieren.

Während die anaerobe Methanoxidation in Süßwasser wissenschaftliche Aufmerksamkeit erregt, war die Umweltrelevanz dieses Prozesses unbekannt.

“Dieser Artikel berichtet über eine bisher unerkannte Senke für Methan in Süßwassersedimenten, Böden und Torfen: mikrobiell vermittelte anaerobe Oxidation von Methan,”, sagte Joye, Professorin für Kunst und Wissenschaften der UGA Athletic Association und Professorin für Meereswissenschaften. “Die grundlegende Bedeutung dieses Prozesses in Süßwasser-Feuchtgebieten in weiten biogeografischen Provinzen unterstreicht die entscheidende Rolle, die die anaerobe Oxidation von Methan auf der Erde spielt, selbst in Süßwasser-Lebensräumen.”

Joye stellte fest, dass die Methanemissionen aus Süßwasser-Feuchtgebieten ohne diesen Prozess 30 bis 50 Prozent höher sein könnten.

“Diese Studie fördert das Verständnis des globalen Methanbudgets und kann Auswirkungen auf die Entwicklung zukünftiger Treibhausgasmodelle haben,”, sagte die Mitautorin der Studie, Katherine Segarra, eine Ozeanographin am Bureau of Ocean des US-Innenministeriums Energiemanagement.

Das Forschungsteam untersuchte den anaeroben Oxidationsprozess an drei Süßwasser-Feuchtgebieten in drei biogeografischen Regionen: den Süßwasser-Torfböden der Florida Everglades, einem küstennahen, organisch-reichen Feuchtgebiet im Acadia-Nationalpark, Maine und einem Gezeiten-Süßwasser-Feuchtgebiet in der Küste von Georgia. Alle drei Standorte wurden über mehrere Saisons hinweg beprobt.

Die anaerobe Oxidation von Methan war teilweise mit einer Sulfatreduktion gekoppelt. Ein Anstieg des Meeresspiegels würde beispielsweise zu einem erhöhten Sulfatgehalt führen, was zu einer höheren anaeroben Oxidation führen könnte. In ähnlicher Weise hemmt beim Eindringen von Salzwasser in küstennahe Süßwasser-Feuchtgebiete eine Erhöhung des Sulfats die mikrobielle Methanbildung oder Methanogenese.

Während Süßwasserfeuchtgebiete als bedeutende Methanquellen für die Atmosphäre bekannt sind, führten ihre niedrigen Sulfatkonzentrationen zuvor die meisten zu dem Schluss, dass die anaerobe Oxidation von Methan in diesen Regionen nicht wichtig war. Die neue Studie zeigt, dass Süßwasserumgebungen ohne den anaeroben Methanoxidationsprozess einen noch größeren Teil des globalen Methanbudgets ausmachen würden.

“Der Prozess der anaeroben Oxidation von Methan in Süßwasser-Feuchtgebieten scheint in gewisser Hinsicht anders zu sein als das, was wir über diesen Prozess in Meeressedimenten wissen,” Joye. “Es könnte eine einzigartige Biochemie geben, denn die Isotopensignatur der Biomasse von Mikroorganismen, die Methan in Süßwasser-Feuchtgebieten oxidieren, unterscheidet sich von ihren marinen Gegenstücken. Dies könnte bedeuten, dass die Mechanismen, durch die sie Kohlenstoff in ihre Biomasse aufnehmen, unterschiedlich sind und/oder dass verschiedene Mikroorganismen in Süßwasserhabitaten eine anaerobe Oxidation von Methan durchführen.”

Die Forschung wurde durch einen Preis der National Science Foundation Division of Environmental Biology unterstützt. Zusätzliche finanzielle Unterstützung erfolgte durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft über das Forschungszentrum/Exzellenzcluster am MARUM Zentrum für Marine Umweltwissenschaften und den Fachbereich Geowissenschaften der Universität Bremen.


Einfluss verschiedener Pflanzenarten auf die Methanemissionen aus Böden in einem sanierten Schweizer Feuchtgebiet

Pflanzen sind ein wichtiger Faktor, der die Methanemissionen aus Feuchtgebieten beeinflusst, zusammen mit Umweltparametern wie Wasserspiegel, Temperatur, pH-Wert, Nährstoffen und Bodenkohlenstoffsubstrat. Wir haben ein Feldexperiment durchgeführt, um zu untersuchen, wie verschiedene Pflanzenarten die Methanemissionen aus einem Feuchtgebiet in der Schweiz beeinflussen. Die obersten 0,5 m Boden an dieser Stelle waren fünf Jahre zuvor abgetragen worden, wodurch ein Substrat mit sehr geringer methanogener Aktivität zurückblieb. Wir fanden einen sechsfachen Unterschied zwischen den Pflanzenarten in ihrer Wirkung auf die Methanemissionen: Molinia caerulea und Lysimachia vulgaris verursachten niedrige Emissionsraten, während Senecio paludosus, Carex flava, Juncus effusus und Typha latifolia relativ hohe Emissionsraten verursachten. Centaurea jacea, Iris sibirica und Carex davalliana verursachten Zwischenraten. Wir fanden jedoch keinen Einfluss von weder pflanzlicher Biomasse noch pflanzlicher funktioneller Gruppen – basierend auf der Lebensform oder der Produktivität des Habitats – auf die Methanemissionen. Die Emissionen waren viel niedriger als die, die normalerweise in gemäßigten Feuchtgebieten berichtet werden, was wir auf die reduzierten Konzentrationen von labilem Kohlenstoff nach der Entfernung des Oberbodens zurückführen. Im Gegensatz zu den meisten Feuchtgebieten wurde die Methanproduktion an diesem Standort daher wahrscheinlich hauptsächlich durch Wurzelexsudation von lebenden Pflanzen und durch Wurzelfäule angetrieben. Wir schließen daraus, dass in den meisten Feuchtgebieten, in denen die Konzentrationen an labilem Kohlenstoff viel höher sind, diese Quellen nur einen geringen Anteil des emittierten Methans ausmachen. Unsere Studie bestätigt, dass die Zusammensetzung der Pflanzenarten die Methanemissionen aus Feuchtgebieten beeinflusst und bei der Entwicklung von Maßnahmen zur Minderung der Treibhausgasemissionen berücksichtigt werden sollte.

Interessenkonflikt-Erklärung

Konkurrierende Interessen: Die Autoren haben erklärt, dass keine konkurrierenden Interessen bestehen.

Figuren

Abbildung 1. Mittelwert CH 4 Emissionsraten…

Abbildung 1. Mittelwert CH 4 Emissionsraten verschiedener Pflanzenarten, geordnet nach…


Methanemissionen aus natürlichen Feuchtgebieten: Wechselspiel zwischen aufstrebenden Makrophyten und bodenmikrobiellen Prozessen. Ein kleiner Rückblick

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In: Annalen der Botanik, Bd. 105, Nr. 1, 2010, p. 141-153.

Forschungsergebnis : Beitrag zu Zeitschrift/Zeitschrift › Artikel › Wissenschaftliches › Peer-Review

T1 - Methanemissionen aus natürlichen Feuchtgebieten: Wechselspiel zwischen aufstrebenden Makrophyten und bodenmikrobiellen Prozessen. Ein kleiner Rückblick

N1 - Berichtsjahr: 2010 Metis note: 4692CL ME file:///L:/Endnotedatabases/NIOOPUB/pdfs/PDFS2010Laanbroek_4692.pdf

N2 - Hintergrund: Nach Angaben des Zwischenstaatlichen Ausschusses für Klimaänderungen (IPCC) 2007 tragen natürliche Feuchtgebiete 20–39 % zum weltweiten Methanausstoß bei. Der geschätzte Prozentsatz des Beitrags dieser Systeme zur Gesamtfreisetzung dieses Treibhausgases ist aufgrund der Unterschiede in der Natur der emittierenden Vegetation einschließlich der Bodenmikrobiota, die die Produktion und den Verbrauch von Methan beeinträchtigen, groß. Anwendungsbereich: Methan ist ein vorherrschendes Endprodukt anaerober Mineralisierungsverfahren. Wenn alle Elektronenakzeptoren außer Kohlendioxid von der mikrobiellen Gemeinschaft verwendet werden, ist die Methanogenese der ultimative Weg, um organische Kohlenstoffverbindungen zu mineralisieren. Aufstrebende Feuchtgebietspflanzen spielen eine wichtige Rolle bei der Emission von Methan in die Atmosphäre. Sie produzieren den für die Methanproduktion notwendigen Kohlenstoff, erleichtern aber auch die Freisetzung von Methan durch den Besitz eines Systems miteinander verbundener Schlussfolgerungen: Die Rolle des Stickstoffkreislaufs bei der Unterdrückung der Methanproduktion ist wahrscheinlich gering. Im Gegensatz zu Feuchtgebieten, die speziell zur Reinigung stickstoffreicher Abwässer angelegt wurden, sind die Konzentrationen an anorganischen Stickstoffverbindungen in den Wurzelzonen in der Vegetationsperiode aufgrund des stickstoffverbrauchenden Verhaltens der Pflanze gering. Daher konkurriert Nitrat kaum mit anderen Elektronenakzeptoren um reduzierte organische Verbindungen, und die Unterdrückung der Methanoxidation durch die Anwesenheit höherer

AB - Hintergrund: Nach Angaben des Zwischenstaatlichen Ausschusses für Klimaänderungen (IPCC) 2007 tragen natürliche Feuchtgebiete 20–39 % zum weltweiten Methanausstoß bei. Der geschätzte Prozentsatz des Beitrags dieser Systeme zur Gesamtfreisetzung dieses Treibhausgases ist aufgrund der Unterschiede in der Natur der emittierenden Vegetation einschließlich der Bodenmikrobiota, die die Produktion und den Verbrauch von Methan beeinträchtigen, groß. Anwendungsbereich: Methan ist ein vorherrschendes Endprodukt anaerober Mineralisierungsverfahren. Wenn alle Elektronenakzeptoren außer Kohlendioxid von der mikrobiellen Gemeinschaft verwendet werden, ist die Methanogenese der ultimative Weg, um organische Kohlenstoffverbindungen zu mineralisieren. Aufstrebende Feuchtgebietspflanzen spielen eine wichtige Rolle bei der Emission von Methan in die Atmosphäre. Sie produzieren den für die Methanproduktion notwendigen Kohlenstoff, erleichtern aber auch die Freisetzung von Methan durch den Besitz eines Systems miteinander verbundener Schlussfolgerungen: Die Rolle des Stickstoffkreislaufs bei der Unterdrückung der Methanproduktion ist wahrscheinlich gering. Im Gegensatz zu Feuchtgebieten, die speziell zur Reinigung stickstoffreicher Abwässer angelegt wurden, sind die Konzentrationen an anorganischen Stickstoffverbindungen in den Wurzelzonen in der Vegetationsperiode aufgrund des stickstoffverbrauchenden Verhaltens der Pflanze gering. Daher konkurriert Nitrat kaum mit anderen Elektronenakzeptoren um reduzierte organische Verbindungen, und die Unterdrückung der Methanoxidation durch die Anwesenheit höherer


AUFTRETENDE MAKROPHYTEN ALS LIEFERANTEN VON KOHLENSTOFF

Neben der maßgeblichen Rolle der aufstrebenden Feuchtgebietspflanzen bei der Methanabgabe durch ihr Aerenchymsystem sowie bei der Oxidation eines Teils des Methans in der Wurzelzone durch Sauerstoffabgabe tragen diese Makrophyten auch zur Methanproduktion bei durch die Produktion von organischem Kohlenstoff. Während Studien im Zusammenhang mit Reisfeldern gezeigt haben, dass Substrate aus lebenden Pflanzen bis zu 90 % der gesamten Methanemissionen beitragen können (zitiert von Ding et al., 2005), Megonigal et al. (1996) und Juutinen et al. (2003) fanden heraus, dass neuere Produkte der Photosynthese von Feuchtgebietspflanzen einen sehr begrenzten Beitrag zur Methanproduktion leisteten und labiler organischer Kohlenstoff für die Methanproduktion hauptsächlich aus Pflanzenstreu stammt ( Ding et al., 2002). In Topfexperimenten mit E. Vagina markiert mit [ 14 C]Kohlendioxid, wurde nur ein geringer Anteil (0,2 %) in Exsudate eingebaut (Saarnio et al., 2004). Neuer Kohlenstoff wurde hauptsächlich in den metabolisch wichtigen Kohlenhydraten sowie Säureanionen fixiert, die die Hauptbestandteile frischer Exsudate ausmachten, aber Mikroben schienen die Exsudate schnell in andere Substanzen wie Acetat umzuwandeln, die dann der essiglastischen Methanogenese dienen könnten. Acetat hat sich als Vorläufer von Methan in feuchten arktischen Tundra-Ökosystemen im Zackenberg-Tal in Nordostgrönland erwiesen, das von Seggen dominiert wurde Eriophorum scheuchzeri, Carex subspathacea und Dupontia psilosantha ( Strom et al., 2003). Die Bildung von Acetat in der Wurzelzone stand im Zusammenhang mit der Photosyntheserate und war auch in E. scheuchzeri unter schattigen Bedingungen im Vergleich zu den Kontrollen im Licht, was darauf hindeutet, dass höhere Photosyntheseraten in Kontrollparzellen zu einer höheren Kohlenstoffallokation in der Wurzelzone führen. Ein signifikant negativer Einfluss der Verschattung auf den Methanfluss während der Vegetationsperiode war zuvor in der Tundra des Zackenbergtals mit E. scheuchzeri, C. subspathacea und D. psilosantha als dominante Gefäßpflanzenarten (Joabsson und Christensen, 2001).

In ihrer Studie über die Auswirkungen zweier häufig vorkommender Makrophyten auf die Methandynamik in Süßwassersedimenten, Van der Nat und Middelburg (1998ein) bestimmt auch den Beitrag der Methanogenese zur groben anaeroben Mineralisierung von organischem Material. Der relative Beitrag der Methanogenese war in der Vegetation mit S. lacustris (d. h. 6–19 %) im Vergleich zu den Zonen mit P. australis (d. h. 24–62 %) oder ohne Pflanzen (d. h. 80 %). Die bewachsenen Systeme zeigten die höchsten Methanproduktionsraten, wenn die Pflanzen reif waren.

Um zu ermitteln, inwieweit pflanzenvermittelte Methanemissionen aus E. fluviatil Bestände auf Temperaturschwankungen, Sedimentqualität und rhizosphärische Methanoxidation zurückzuführen sind, haben Kankaala und Bergström (2004) diese Prozesse detailliert in Mesokosmen mit zwei homogenen Bodentypen untersucht. Equisetum fluviatil Bestände wurden auf dem Sediment der ursprünglichen Wachstumsstelle, organischem Schluffsediment aus der Küstenzone des Pääjärvi-Sees, Finnland, und auf Sand, der ursprünglich sehr arm an organischer Substanz war, errichtet. Wie bereits von Grünfeld und Brix (1999) in ihrer Studie zum Einfluss des Substrattyps auf die Methanemissionen beobachtet, fanden Kankaala und Bergstrom (2004) die höchsten Emissionsraten im organischen Schluffsediment. In den Sandmesokosmen korrelierte die Variation der Nettomethanemissionen besser mit der Sprossbiomasse als mit der Sedimenttemperaturvariation während der Vegetationsperiode, was darauf hindeutet, dass die Methanogene durch die Substratverfügbarkeit stark eingeschränkt waren und wahrscheinlich von Substraten abhängig waren, die von E. fluviatil. Der Anteil der oxidierten potentiellen Methanemissionen unterschied sich im Sommer nicht signifikant zwischen den Bodentypen. Die Netto-Methan-Emission während der Vegetationsperiode im Verhältnis zum saisonalen Maximum der Sprossbiomasse war in den organischen Sedimentmesokosmen (6,5 %) signifikant höher als in Sand (1,7 %). Die beobachteten hohen Methanemissionen aus dicht besiedelten E. fluviatil Bestände auf dem Feld scheinen eher mit dem temperaturregulierten Umsatz von Detritus im anaeroben Sediment und weniger mit der Methanoxidation und jahreszeitlichen Schwankungen der Pflanzenwachstumsdynamik zusammenzuhängen. Aus diesen und anderen Studien mit häufig auftretenden Makrophyten in borealen mesoeutrophen Seen geht Kankaala . hervor et al. (2005) schlugen vor, dass die Methanproduktion methanogener Bakterien in Vegetationsbeständen mit hohen Methanemissionen stärker durch die Temperatur als durch das Substrat begrenzt wird. An Standorten mit geringen Methanaustrittsraten und geringer Produktivität sind die Methanogene stärker von den Substraten abhängig, die von den Pflanzen während derselben Vegetationsperiode produziert werden. Die höchsten Methan-Austrittsraten im Verhältnis zur Biomasse stehender Pflanzen wurden an „Hotspots“ beobachtet, an denen sich Detritus aus externen Quellen ansammelte. Die Rolle der alten Kohlenstoffspeicher als Substrat für Methanogene ist jedoch unbekannt, kann aber in Gegenwart großer Mengen frischer Einstreu und von Wurzeln abgeleiteter Substrate marginal sein ( Kankaala et al., 2004). Wie von Kankaala . besprochen et al. (2005) können zukünftige Veränderungen der Hydrologie aufgrund der Klimaerwärmung, die zu einer Abschwächung der Wasserstandsänderungen führen, zu mehr Detritusakkumulation und anschließender Methanbildung unter anoxischen Bedingungen in borealen Seen führen.


Die Eigenschaften und jahreszeitlichen Schwankungen von Methanflüssen aus einem alpinen Feuchtgebiet im Einzugsgebiet des Qinghai-Sees, China

Alpine Feuchtgebiete sind eine wichtige natürliche Quelle für Methan (CH4) in die Atmosphäre. Allerdings sind die zeitlichen Variationen und die wichtigsten treibenden Faktoren von CH4 Flüsse in alpinen Feuchtgebieten sind noch nicht gut verstanden. In dieser Studie wurde CH4 Flüsse wurden von einem alpinen Feuchtgebiet im Qinghai-See mit der Eddy-Kovarianz-(EC)-Technik gemessen. Starke saisonale Variabilität des täglichen CH4 Flüsse wurden beobachtet, die von −18,24 mg CH4 m − 2 d − 1 während der Nicht-Wachstumssaison auf 117,44 mg CH4 m − 2 d − 1 während der Vegetationsperiode 2017. Der jährliche CH4 Budget war 9,41 g CH4 m − 2 . Die Vegetationsperiode CH4 Flussmittel machten 91,5 % des Jahresbudgets aus. Im Tagesmaßstab ist der CH4 die Flüsse nahmen signifikant zu, wenn die Nettostrahlung, die Lufttemperatur, das Dampfdruckdefizit, die Bodentemperatur und der volumetrische Wassergehalt des Bodens in 5 cm Tiefe zunahmen. Darüber hinaus ergab die Korrelationsanalyse auch, dass tägliches CH4 Fluss war signifikant mit CO . verbunden2 Fluss bei täglichem CO2 Fluss war negativ, aber es gab keine Korrelation, wenn die tägliche CO2 Fluss war positiv. Die Pfadanalyse zeigte, dass saisonale Schwankungen der Bodentemperatur in 5 cm Tiefe und CO2 Fluss hatte starke direkte Auswirkungen auf das tägliche CH4 Flüsse.

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Globale Methanemissionen steigen in die Höhe, aber wie viel war auf Feuchtgebiete zurückzuführen? 6 Minuten lesen

Infografik mit Genehmigung der Autoren von „Zunehmende anthropogene Methanemissionen entstehen gleichermaßen aus landwirtschaftlichen und fossilen Brennstoffquellen“. (Quelle: Jackson et al. 2020, Umweltforschungsbriefe)

Im vergangenen Monat veröffentlichte ein internationales Wissenschaftlerteam, darunter William Riley und Qing Zhu vom Berkeley Lab, im Rahmen des Global Carbon Project ein Update zum globalen Methanbudget. Sie schätzten die jährlichen globalen Methanemissionen für die Dekade 2008 bis 2017 auf fast 570 Millionen Tonnen, was 5 % höher ist als die für die frühen 2000er Jahre gemessenen Emissionen und das Äquivalent von 189 Millionen mehr Autos auf den Straßen der Welt.

Anthropogene Quellen wie Landwirtschaft, Abfall und fossile Brennstoffe trugen zu 60 % dieser Emissionen bei, während Feuchtgebiete die größte natürliche Methanquelle darstellten. Riley, ein leitender Wissenschaftler des Berkeley Lab, konzentriert sich auf die Modellierung der Interaktion terrestrischer Ökosysteme – wie Feuchtgebiete – mit dem Klima. In Zusammenarbeit mit Zhu bauten sie eines der Computermodelle, mit denen Wissenschaftler diese Methanemissionen aus Feuchtgebieten auf globaler Ebene quantifizieren können.

Obwohl die globalen Methanemissionen von Feuchtgebieten zwischen dem letzten Jahrzehnt und den frühen 2000er Jahren weitgehend unverändert geblieben sind, haben diese Landschaften weiterhin einige der größten Unsicherheiten bei der Schätzung des globalen Methanbudgets mit sich gebracht. Riley erklärt die Beteiligung seines Teams am Global Carbon Project und ihre Bemühungen, diese Unsicherheit zu reduzieren.

F. Was ist das Global Carbon Project und wie kamen Sie dazu?

Es ist eine locker strukturierte Gruppe internationaler Wissenschaftler, die seit 2001 daran arbeitet, unter anderem globale Budgets für Treibhausgase aufzubauen. Diese Budgets umfassen Kohlendioxid, Methan und Lachgas. Ein Großteil der Arbeit konzentriert sich darauf, diese Budgets zu charakterisieren, zu verstehen, warum sie sich möglicherweise ändern und was die wissenschaftliche Gemeinschaft tun kann, um sie besser einzuschätzen.

Im Rahmen des Projekts „Reducing Uncertainty in Biogeochemical Interactions through Synthesis and Computation“ (RUBISCO), das ein wissenschaftlicher Fokusbereich des Berkeley Lab ist, arbeiten wir an globalen Kohlenstoffbudgets. Die Berkeley Lab-Gruppe baute eines der ursprünglichen globalen Methanmodelle für Feuchtgebiete, und deshalb wurden wir gebeten, am Global Carbon Project teilzunehmen.

F. Warum sollten wir uns für Methan interessieren?

Methan wird aus einer Reihe von anthropogenen Quellen wie Deponien, Landwirtschaft und fossilen Brennstoffen sowie aus natürlichen Systemen wie Feuchtgebieten emittiert. Es ist das zweitwichtigste Treibhausgas, zu dem der Mensch beiträgt. Seit vorindustriellen Zeiten hat der Anstieg des atmosphärischen Methans zu einem Viertel der klimaerwärmenden Wirkung von Treibhausgasen beigetragen. Das ist groß.

Im Gegensatz zu Kohlendioxid hat Methan jedoch eine kürzere Lebensdauer in der Atmosphäre. Wenn wir unsere Emissionen stark verändern, kann Methan relativ schnell entfernt werden.

F. Sind Methanemissionen schwer abzuschätzen?

Es gibt viele Methanquellen. Um ein Budget zu erstellen, müssen Sie alle zusammenzählen. Wir können die Beiträge der vom Menschen verursachten Methanemissionen vernünftig abschätzen. Es ist jedoch schwer, die Methanemissionen aus biogenen Quellen wie Feuchtgebieten abzuschätzen, die schätzungsweise 20 bis 30 % des globalen Methanemissionsbudgets ausmachen.

In Feuchtgebieten wird Methan durch mikrobielle Aktivität produziert. Einmal produziert, gibt es mehrere Wege, auf denen Methan verbraucht und vom Boden in die Atmosphäre transportiert wird: Pflanzen, Sprudeln und Diffusion. Alle diese Prozesse sind für sich genommen ungewiss und ihre Zusammenstellung macht es schwierig, Vorhersagen zu treffen. Pflanzen können beispielsweise Methan aus dem Boden ziehen und direkt in die Atmosphäre abgeben, wobei sie den Oxidationsschritt umgehen, der ansonsten an der Boden-Luft-Grenzfläche aktiv ist, wenn das Land nicht unter Wasser ist. Es ist ein komplizierterer Satz physikalischer und biologischer Prozesse im Vergleich zur Modellierung und Vorhersage von Kohlendioxidemissionen.

Es ist auch schwierig, anhand von Satellitenbildern festzustellen, wie viel Landfläche unter Feuchtgebieten liegt. Beispielsweise kann sich die Abdeckung von vorübergehenden Feuchtgebieten aufgrund von Entwässerung über eine Saison oder über mehrere Jahre hinweg ändern. Außerdem weisen Feuchtgebiete oft aufstrebende Vegetation auf, die Fernerkundungsschätzungen erschweren kann.

F. Welchen Beitrag leistet Ihr Team zu besseren Emissionsschätzungen von Feuchtgebieten?

Als Teil des Global Carbon Project gibt es 13 große Modellierungszentren, die 13 unabhängige Modelle verwenden, um die Methanemissionen von Feuchtgebieten zu schätzen, und wir sind eine dieser Gruppen. Unser Modell, das in das Erdsystemmodell E3SM (Energy Exascale Earth System Model) des Department of Energy integriert ist, repräsentiert weit verbreitete Feuchtgebiete und umfasst viele Prozesse, die für diese Landschaften relevant sind. Wie bei anderen Modellen werden Variablen wie Temperatur, Niederschlag und Methanemissionen, die kontinuierlich von 80 Feuchtgebietsstandorten gesammelt wurden, die Teil des globalen FLUXNET-Netzwerks sind, verwendet, um das Modell zu bewerten und zu verbessern. In diese Vergleiche auf Standortebene beziehen wir auch Informationen zum Feuchtgebietstyp ein: Niedermoore, Sümpfe, Moore usw. Vegetation, die den Kohlenstoffeintrag in die mikrobielle Aktivität des Systems darstellt, zusammen mit Schätzungen der Wasserspiegeltiefe, die einen starken Einfluss auf Methan hat Emissionen.

Diese Informationen ermöglichen es uns, eine Vielzahl von Prozessen und Wechselwirkungen zu bewerten, die letztendlich unsere Emissionsschätzungen beeinflussen. Diese komplexen biologischen Prozesse führen jedoch auch zu einem großen Unsicherheitsbereich bei der Vorhersage der Methanemissionen. Unser Ziel war es, ein Modell zu erstellen, das diese wichtigen Prozesse relativ mechanistisch darstellt und direkt mit Beobachtungen aus der Praxis getestet werden kann.

F. Wissen wir, ob einige Modelle besser abschneiden als andere?

Es ist noch nicht klar, welcher Ansatz der beste ist. Aber ich denke, es lohnt sich, das gesamte Spektrum an Modellen zu verwenden, von den einfachsten bis zu den nuanciertesten. Schließlich hoffen wir alle, die Vorhersagbarkeit der Methanemissionen aus Feuchtgebieten zu verbessern.

Die in dem Papier berichteten endgültigen Emissionen sind ein Durchschnitt der Schätzungen aus jedem der 13 Modelle.

F. Emittieren Feuchtgebiete in bestimmten Regionen mehr Methan als in anderen?

Es wird geschätzt, dass Feuchtgebiete 20 bis 30 % des globalen Methanbudgets ausmachen, aber die Emissionen variieren je nach Breitengrad. Die Flüsse sind in den Tropen größer als in den hohen Breiten und gemäßigten Zonen. (Bildnachweis: Bernard Hermant, Unsplash)

Die Methanemissionen von Feuchtgebieten weisen einen großen Breitengradienten auf. Die Flüsse sind in den Tropen größer als in den hohen Breiten und gemäßigten Zonen. In den Tropen ist es viel wärmer, daher gibt es viel biologische Aktivität und mehr Methanproduktion als aus den hohen Breiten, wo es wirklich kalt ist. Wir haben die jährlichen Emissionen aus tropischen Feuchtgebieten auf insgesamt über 110 Millionen Tonnen geschätzt, gegenüber etwa 10 Millionen Tonnen aus den hohen Breiten.

Dieses Muster ist nicht überraschend und seit langem bekannt. Also, those emissions are natural, so they will continue, as long as we don’t drain the wetlands, which does happen.

Q. Do you expect emissions from wetlands to increase in the future?

Our simulations suggest that methane emissions will continue to increase as the world warms and atmospheric carbon dioxide concentrations increase. Our group is participating in ongoing GCP efforts to synthesize these types of future estimates from several of the global modeling groups.

Q. What are your next steps in improving the estimation capabilities of your current model?

We’re thinking about using machine learning tools to help build relationships between wetland methane emissions and all the factors that we think control these emissions. The input will be emissions data collected at the FLUXNET wetland sites along with other relevant variables – wetland characteristics, vegetation, climate – pertaining to these regions. Once you know the relationship strengths between these variables and methane emissions, you can extrapolate them to other wetland sites for which we don’t have emissions data. Of course, this type of approach will require testing at a subset of sites where benchmarking observations are available to ensure the appropriateness of regional to global extrapolations.

We also are interested in integrating these types of observationally constrained machine-learning models with the more mechanistic models, with the hope of improving the overall predictability of the global representations.

News & Events

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A Conversation with Susan Hubbard as part of Berkeley Lab’s 90th Celebration 7 min read

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A U.S. Department of Energy National Laboratory Managed by the University of California

Lawrence Berkeley National Laboratory · Earth and Environmental Sciences Area · Privacy & Security Notice


4 Remaining Challenges and Opportunities

Including all three methanogenic pathways in biogeochemical models should be part of future model development efforts. While the AC and HM have been traditionally assumed as the primary pathways for methane production, recent research suggests that the MM pathway may be more relevant to the methane cycle than previously thought. New insights on the ecology of methylotrophic methanogens reveal a widespread distribution in wetland soils (Söllinger et al., 2016 ), in some cases, with abundances that surpass that of other methanogens (Yang et al., 2017 ). MM is particularly relevant in saltwater marshes. In these saline environments, energetically more efficient sulfate-reducing bacteria outcompete acetoclastic and hydrogenotrophic methanogens in the use of substrates. Comparatively, methylotrophic methanogens use primarily noncompetitive methylated substrates, and thus, MM may account for the bulk of methane production in saltwater marshes (Jameson et al., 2019 Oremland et al., 1982 ). With sea-level rise, plant communities in coastal wetlands shift from communities dominated by freshwater/brackish species to salt-tolerant species (Visser et al., 2013 ). Such a shift in substrate replacement is further reflected in the structure and abundance of methanogens (Tong et al., 2017 ) and, therefore, the methanogenic pathways (Yuan et al., 2014 ). How the synergistic effect of shifting vegetation and methanogenic pathways will impact methane production and fluxes in coastal wetlands under increasing sea levels remains a pressing question, especially, considering the growing interest in restoring coastal wetlands as a nature-based alternative to reduce greenhouse gas emissions (Griscom et al., 2017 Crooks et al., 2018 ).

Representing the dual role of vegetation as a source of organic matter and media for methane transport also remains a significant challenge for biogeochemical models in predicting methane emissions under a changing climate. On the one hand, shifting plant species may alter organic matter chemistry and the rates of production through the different methanogenic pathways. Currently, organic matter chemistry is indirectly included only in some models using pH as a surrogate (e.g., Riley et al., 2011 ). However, a mechanistic representation that includes initial organic matter composition and turnover is still lacking. On the other hand, methane transport and, thus, the amount of methane that bypasses shallow soil and water column oxidation zones and the resulting net emissions may be affected by changes to plant composition. Although many biogeochemical models do represent some form of plant-mediated transport, most approaches to simulate plant transport include coefficients or vegetation parameters that are poorly constrained and heavily biased toward some species characteristic of high-latitude peatlands. These parameters may differ significantly for dominant species in other wetland types, such as mineral soil wetlands (Villa et al., 2020 ), and typically do not include functional types such as shrubs and trees, which actively transport methane as well (Pitz et al., 2018 ). Nonetheless, simulating the effect of individual plant species in organic matter chemistry and plant-mediated transport is logistically impractical and hindered by a considerable paucity of field measurements and geographical coverage. Then, a mechanistic approach based on plant functional types, analogous to Chang et al. ( 2019 ) approach to methanogenesis, could be a reasonable compromise between model enhancement and degrees of freedom. Further work will be needed to elucidate if such an avenue is feasible and the parameters that better describe each plant functional type.

Finally, beyond their relevance for regional and global greenhouse gas budgets, better representations of biological components have direct implications for ecosystem-based management practices targeting a reduction in methane emissions in wetland ecosystems. For instance, models with improved representations of microbial communities and vegetation can potentially inform natural resources managers and stakeholders about optimal water levels and their seasonal variation to minimize methane production. Alternatively, models can assist decisions in promoting the predominance of plant species with reduced methane transport in ongoing and future wetland restoration projects. Ultimately, a better representation of biological components in biogeochemical models could lead to better integration of the vegetation patch within the whole wetland and ecosystem scales, which are the scales used by restoration and resource managers practitioners.


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