Estimation of current-season carbon fluxes in the rhizosphere of a tundra wetland soil

Changing environmental and climate conditions require adaptation strategies from both ecosystems and the human society. The global carbon cycle is important in this context, because increasing atmospheric carbon dioxide and methane concentrations are responsible for rising atmospheric temperatures. Particularly in Arctic ecosystems, which are adapted to extreme cold, significant climate-related changes are predicted, like increased greenhouse gas emissions. Predicting greenhouse gas emissions from tundra wetland areas is an important goal for the Arctic climate change impact research, because thawing permafrost soils might show substantially increased greenhouse gas emissions. The investigation of carbon fluxes in the active layer is important, because greenhouse gas emissions (methane and carbon dioxide) originate there. For quantifying the carbon fluxes in the soil, a polygonal plant soil system was exposed to 13C-enriched CO2, which was taken up during photosynthesis. Thus, a detectable time-dependent 13C-tracer impulse in the sub-surface carbon cycle was produced, which allows measuring atmospheric-derived carbon in the soil system. For the description and quantification of carbon fluxes in the belowground, a compartment model was developed and implemented. The model was calibrated against the observed increased 13C-concentrations. This study shows that about 26 % of the carbon, which is incorporated into the system during the experimental period, was allocated into the Scorpidium-moss in the first 20 cm. In Carex-roots, the tracer was found in a depth of 36 cm, which is close to the permafrost table. The model shows that 68 % of methane is produced by CO2 - reduction. The modelled CO2 and CH4 emissions (0.274 and 0.258 mg CL-1¬¬h-1, respectively) are similar to results of other publications. Veranderte Umwelt- und Klimabedingungen zwingen viele Okosysteme und die menschliche Gesellschaft zur Anpassung. Der globale Kohlenstoffkreislauf ist hierbei von besonderer Bedeutung, da eine Zunahme des atmospharischen Kohlenstoffdioxid - und Methangehaltes masgeblich fur steigende Temperaturen in der Atmosphare verantwortlich gemacht wird. Insbesondere fur die an extreme Kalte angepassten arktischen Okosysteme werden gravierende klimabedingte Veranderungen prognostiziert, unter anderem erhohte Treibhausgasemissionen. Die Prognostizierung von Treibhausgasmissionen aus Tundrafeuchtgebieten stellt ein wichtiges Ziel der arktischen Klimawandelfolgenforschung dar, da ein Auftauen des Permafrostbodens zu erhohten Emissionen fuhren konnte. Die Untersuchung der Kohlenstoffflusse im Bereich des Auftauhorizontes ist hierbei wichtig, da von dort Kohlenstoff in Form von Methan und Kohlenstoffdioxid in die Atmosphare emittiert wird. Zur Quantifizierung der Kohlenstoffflusse im Boden wird einem Pflanzen-Bodensystem der polygonalen Tundra zunachst CO2 mit erhohtem 13C/12C-Isotopenverhaltnis zugegeben, welches photosynthetisch aufgenommen wird. Dadurch entsteht im System ein messbarer zeitabhangiger 13C-Marker-Impuls, welcher atmospharisch-stammigen Kohlenstoff im Bodensystem beobachtbar macht. Durch Entwicklung und Implementierung eines Kompartment-Models zur Beschreibung des 13C-Impulses im Bodensystems und Kalibration des Models mit den beobachten erhohten 13C-Werten, lassen sich die Kohlenstoffflusse im Boden erfassen und quantifizieren. Diese Studie zeigt, dass etwa 26 % des Kohlenstoffes, welcher wahrend des Experimentzeitraumes aufgenommen wurde, in das Scorpidium-Moos innerhalb der obersten 20 cm eingebaut wurde. In den Carex-Wurzeln fand der Marker den Weg bis in eine Tiefe von 36 cm, dies entspricht einer Tiefe nahe der Permafrosttafel. Die Modellierung zeigt, dass 68 % des im System erzeugten Methans durch CO2-Reduzierung entsteht und dass die modellierten CO2 - und CH4 - Emissionen (0.274 und 0.258 mg C L-h-1) vergleichbar mit Messergebnissen anderer Studien sind.