CO 2 -Freisetzung ausgewählter Moore in Berlin und Brandenburg

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1 TECHNISCHE UNIVERSITÄT BERLIN FAKULTÄT VI PLANEN BAUEN UMWELT INSTITUT FÜR ÖKOLOGIE FACHGEBIET STANDORTKUNDE BODENSCHUTZ CO 2 -Freisetzung ausgewählter Moore in Berlin und Brandenburg Diplomarbeit Zur Erlangung des akademischen Grades Diplom Ingenieur von Moritz Werkenthin (3679) Berlin, Februar 212 Gutachter Prof. Dr. Gerd Wessolek Dr. Björn Kluge

2 Danksagung Danksagung Für die Unterstützung bei meiner Diplomarbeit möchte ich mich zunächst bei meinem Betreuer Herrn Dr. Björn Kluge bedanken, der durch zahlreiche fachliche Anregungen und Diskussionen maßgeblich zu der Entstehung dieser Arbeit beigetragen hat. Bei meinem Erstgutachter Herrn Prof. Dr. G. Wessolek möchte ich mich für die Übernahme des Diplomarbeitsthemas, die gute Zusammenarbeit und Unterstützung während der Arbeit bedanken. Ein besonderer Dank gilt Eckhart Scheffler, der mich für die Thematik meiner Arbeit begeistert hat und mir durch seine langjährigen Erfahrungen immer wieder neue Blickwinkel aufzeigen konnte. Des Weiteren möchte ich mich bei Maike Mai für die Unterstützung bei den Versuchen mit der Respirationsanlage bedanken. Den Mitarbeitern des Fachgebietes Standortkunde und Bodenschutz möchte ich für die gute Zusammenarbeit danken. Mein besonderer Dank gilt Albrecht Richter, Arvid Markert und Michael Facklam. Schlussendlich bedanke ich mich ganz herzlich bei meiner Familie für die moralische und finanzielle Unterstützung während meines gesamten Studiums. Ein ganz besonderer Dank geht an meine Lebensgefährtin Anne Fastabend die mich während meiner gesamten Studienzeit liebevoll unterstützt, bestärkt und immer wieder motiviert hat. II

3 Inhalt Inhalt Danksagung...II Inhalt...III Zusammenfassung... V Einleitung... VI 1 Allgemeine Grundlagen Verbreitung von Mooren Moore als Kohlenstoffsenke Moordegradierung Mineralisation Moore und der Klimawandel CO 2 -Freisetzung aus Mooren - Einflussgrößen Grundwasserstand Temperatur/Klima Ausgangssubstrat und Degradierungszustand Landnutzung Methoden zur Bestimmung der CO 2 -Freisetzung aus Mooren Höhenabnahme Flussmessung Labormessung und Modellierung Studien zur CO 2 -Freisetzung aus Mooren International Europa Gemäßigte Breiten / Deutschland Differenzierte Betrachtung von CO 2 Messdaten norddeutscher Niedermoore Charakterisierung der Untersuchungsgebiete Bieselfließ Niederung Lietzengraben Niederung Hundekehlefenn Teufelsmoor Material und Methoden Probenahme Messung der CO 2 -Freisetzung (Bodenatmung) Probenaufbereitung Messprinzip Auswertung der Messdaten Weitere Laboruntersuchungen Verdunstungsverfahren III

4 Inhalt 4.4 Numerische Modellierung mit HYDRUS 1D Eingabeparameter HYDRUS 1D Berechnung der CO 2 -Freisetzungsrate Ergebnisse und Diskussion Laboruntersuchungen Bodenphysikalische Eigenschaften der Torfe Ergebnisse chemischer Laboruntersuchungen Thermische Eigenschaften der Torfe Ergebnisse CO 2 -Messung Einfluss der Temperatur auf die CO 2 -Freisetzung Einfluss der Bodenfeuchte auf die CO 2 -Freisetzung CO 2 -Freisetzungsfunktionen Modellergebnisse Studien zum Temperaturhaushalt des Bodens Studien zum Wasserhaushalt des Bodens Modellstudien zur CO 2 -Freisetzung aus der Bieselfließ Niederung Studien zur CO 2 -Produktion in verschieden Tiefen Studien zum Einfluss der Landnutzung Studien zum Einfluss des Klimas Studien zum Einfluss des Grundwasserstandes Vergleich Modellergebnisse - Literaturwerte Schlussbetrachtung und Fazit Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Literaturverzeichnis IV

5 Zusammenfassung Zusammenfassung Ziel dieser Arbeit war es, die CO 2 -Freisetzungspotentiale verschiedener Torfe aus dem Raum Berlin-Brandenburg zu ermitteln. Mit Hilfe von Laboruntersuchungen konnte die CO 2 -Freisetzungsrate unterschiedlicher Torfe in Abhängigkeit von Temperatur und Wassergehalt bestimmt werden. Die CO2-Freisetzungsraten der Torfe unterscheiden sich deutlich voneinander. Sie liegen in einem Bereich von,2-7,8 µg CO2-C/g/h. Eine Abhängigkeit der CO 2 -Freisetzungsrate von der Inkubationstemperatur war bei allen Proben nachzuweisen. Mit steigender Temperatur nimmt die CO 2 -Freisetzung aller Torfe zu. Ein Zusammenhang zwischen Wasserspannung und CO 2 -Freisetzung ist erkennbar. Der Einfluss der Entwässerungsstufe auf die CO 2 -Freisetzung konnte jedoch nicht für alle Torfe eindeutig beschrieben werden. Eine Beziehung zwischen CO 2 -Freisetzung und Zersetzungsstufe war erkennbar, sollte jedoch Ziel weiterer Untersuchungen sein. Aus den Messdaten wurden mittels linearer Regressionsanalysen CO 2 - Freisetzungsfuktionen für die verschiedenen Torfe erstellt. Des Weiteren wurde anhand bodenphysikalischer Untersuchungen ein Wasserhaushalts- und Temperaturmodell konstruiert. Mit Hilfe von Modellstudien wurde untersucht, welchen Einfluss Grundwasserstand, Klima, und Landnutzungsänderung auf die CO 2 -Freisetzung haben. Das mit HYDRUS 1D erstellte Modell zur Berechnung des Bodenwasser- und Temperaturhaushaltes lieferte plausible Ergebnisse. Durch eine Kopplung der Modellergebnisse mit den CO 2 -Freisetzungsfunktionen konnte die CO 2 - Freisetzungsrate für das Niedermoor der Bieselfließ Niederung berechnet werden. Die Modellstudien zeigen weiterhin, dass eine Absenkung des Grundwasserspiegels sowie eine Intensivierung der Landnutzung eine erhebliche Freisetzung von CO 2 zur Folge hätte, klimatische Änderungen die CO 2 -Freisetzung hingegen weniger stark beeinflussen. Das Modell beinhaltet jedoch noch Unsicherheiten und ist in einigen Bereichen durch weitere Labormessungen anzupassen und zu verbessern. V

6 Einleitung Einleitung Moore spielen eine wichtige Rolle im globalen Kohlenstoffkreislauf. Aufgrund verlangsamter Stoffumsetzungsprozesse stellen natürliche Moore eine Senke für Kohlenstoff dar. In Moorböden sind Schätzungen zufolge 45-5 Gt Kohlenstoff gebunden. In Deutschland sind ungefähr 4% der Landoberfläche mit Mooren bedeckt, was einer Fläche von ca. 14 km² entspricht. Eine Änderung des Landschaftswasserhaushaltes kann dazu führen, dass Moore in ihrer Funktion als Stoffsenke gestört werden. Diese Änderung kann sowohl durch anthropogene Eingriffe in die Landschaft als auch durch natürliche Trockenheit verursacht werden. Die Absenkung des Grundwasserspiegels im Moor führt neben dem Verlust von ökologisch wertvollen Flächen auch zu einer Änderung der bodenphysikalischen und bodenchemischen Eigenschaften der Torfe, Moormächtigkeitsverlusten sowie zu einer Torfmineralisierung. Bei der Torfmineralisierung kommt es unter anderem zu einer Mobilisierung des im Boden gebunden Kohlenstoffs. Dieser wird auch in Form von Kohlenstoffdioxid (CO 2 ) in die Atmosphäre abgegeben. CO 2 ist ein klimarelevantes Spurengas das maßgeblich an der Erhöhung des Treibhauseffektes beteiligt ist. In Brandenburg könnte sich der Nutzungsdruck durch die verstärkte Produktion nachwachsender Rohstoffe für die Energieproduktion auch auf Moorflächen ausdehnen. Die Nutzungsänderung, z.b. in Kurzumtriebsplantagen (KUP), könnte eine verstärkte Entwässerung erforderlich machen. Im engeren Verflechtungsraum Berlin-Brandenburg könnte es zudem bei der weiteren Erschließung von Bauland zu einer Absenkung des Grundwasserspiegels und damit zum Verlust ökologisch wertvoller Flächen kommen. Diese Prozesse können durch den prognostizierten Klimawandel noch verstärkt werden. So könnte die Zunahme der Jahresdurchschnittstemperatur und Abnahme der Sommerniederschläge eine Erhöhung der CO 2 -Freisetzung zur Folge haben. Ziel dieser Arbeit war es, die CO 2 -Freisetzungspotentiale ausgewählter Torfe aus dem Raum Berlin - Brandenburg zu untersuchen. Dazu wurden Stechzylinderproben aus den verschiedenen Untersuchungsgebieten entnommen. Die CO 2 -Freisetzung wurde im Labor in Abhängigkeit von der Temperatur und dem Wassergehalt bestimmt. Über die Beziehung zwischen CO 2 -Freisetzungsrate, Temperatur und Wassergehalt wurden mathematische Funktionen erstellt. Mit Hilfe bodenphysikalischer Untersuchungen wurde ein Modell entwickelt, mit dem es möglich ist den Einfluss von Klima, Landnutzung und Grundwasserstand auf die CO 2 -Freisetzungsrate aus dem Niedermoor der Bieselfließ Niederung zu bestimmen. VI

7 Allgemeine Grundlagen 1 Allgemeine Grundlagen 1.1 Verbreitung von Mooren Moorflächen gibt es fast überall auf der Erde (Abb.1). Die Verbreitungsschwerpunkte von Mooren liegen jedoch insbesondere in Kanada und Alaska, Nordeuropa und West Sibirien, Südostasien und dem Amazonasbecken sind vergleichsweise große Anteile der Landfläche von Mooren bedeckt. Aber auch Mitteleuropa kann zu den Regionen der Erde gezählt werden, in denen ein hoher prozentualer Anteil der Landfläche von Mooren bedeckt ist (SUCCOW & JOOSTEN 21). Abb. 1: Lage und Verteilung von Mooren auf der Erde (aus LAPPALANIEN 1996). Die Moore Deutschlands decken einen Flächenanteil von etwa 4 % (ca km²) ab und konzentrieren sich hauptsächlich, wie in Abb. 2 zu sehen ist, in den nördlichen und südlichen Bundesländern (COUWENBERG & JOOSTEN 21). Nach HÖPER (27) setzen die deutschen Moore etwa 2,8 % der deutschen Treibhausgasemissionen pro Jahr frei. 1

8 Allgemeine Grundlagen Abb. 2: Lage und Verteilung von Moorflächen in Deutschland (nach HIEDERER 26). 1.2 Moore als Kohlenstoffsenke Natürliche Moore sind Ökosysteme die durch ihren speziellen Stoffhaushalt in der Natur eine Sonderstellung einnehmen. Die hohe Schutzwürdigkeit von Mooren ergibt sich unter anderem aus der Tatsache, dass sie eine langfristige Senke im globalen Stoffkreislauf bilden und als Wasserspeicher eine wichtige Rolle im Landschaftswasserhaushalt spielen (SUCCOW & JOOSTEN 21). Die permanente Wassersättigung des Moorkörpers ist dabei die entscheidende Eigenschaft für die Existenz und Funktionalität von Mooren. Der Abbau von abgestorbener pflanzlicher Biomasse wird in Mooren unter Luftabschluss in der wassergesättigten Zone (Katotelm) stark reduziert. Abgestorbenes Pflanzenmaterial kann daher nur zu einem Teil von Mikroorganismen verstoffwechselt werden (BYRNE et al. 24). Durch Torfbildung wird der restliche Teil der abgestorbenen Biomasse langfristig im Moorboden gespeichert. In ungestörten Mooren nehmen Pflanzen durch Photosynthese mehr CO 2 aus der Atmosphäre auf, als durch mikrobiellen Abbau wieder freigesetzt wird. Durch Torf- 2

9 Allgemeine Grundlagen akkumulation können so bis zu 21 kg CO 2 -C/ha/a im Boden fixiert werden (AUGUSTIN 21). Obwohl Moorböden insgesamt nur etwa 4 Millionen km² der Erdoberfläche bedecken, was etwa 3% der gesamten Landfläche entspricht, speichern sie etwa 45 bis 5 Gt Kohlenstoff. Diese Menge entspricht ungefähr einem Drittel des insgesamt in Böden gebundenen Kohlenstoffes. Naturnahe Moore sind daher unter anderem eine wichtige Senke für atmosphärisches CO 2. (JOOSTEN & CLARKE 22, BRIDGHAM et al. 26, PARISH et al. 28). 1.3 Moordegradierung Eine Veränderung des natürlichen Wasserhaushaltes der Moore kann dazu führen, dass die übliche Torfbildung gestoppt wird und andere bodenbildende Prozesse einsetzen. Die durch Entwässerung hervorgerufene Bodenentwicklung hat eine Änderung der physikalischen, chemischen und biologischen Eigenschaften der Torfe zur Folge. Das Absinken des Moorwasserspiegels kann als Folge natürlicher Trockenheit auftreten oder durch anthropogene Steuerung des Landschaftswasserhaushaltes bedingt sein. Oft wird das Absenken des Wasserspiegels durch das Anlegen von Drainagegräben bewusst herbeigeführt, um Moorflächen land- oder fortwirtschaftlich nutzbar zu machen (DRÖßLER 25). Die durch eine Absenkung des Moorwasserspiegels ausgelösten Prozesse im Boden lassen sich nach SCHMIDT (1981) unterteilen in: - Moorsackung - Schrumpfung und Quellung - Humifizierung - Mineralisation - Verlagerungs- und Auswaschungsvorgänge In der Literatur werden diese Teilprozesse zusammenfassend als Moorschwund oder Moorverlust bzw. Moormächtigkeitsverlust bezeichnet (SCHMIDT 1981). Bei lang anhaltend niedrigen Wasserständen kann die stetige Abnahme der Moormächtigkeit zu einem vollständigen Verschwinden der Moorfläche führen (SUCCOW & JOOSTEN 21). Durch den Moorschwund kommt es zu einer Freisetzung von CO 2 aus dem Boden in die Atmosphäre. Der für die CO 2 - Emission entscheidende Teilprozess des Moorschwundes ist die Mineralisation 3

10 Allgemeine Grundlagen (HÖPER 27). Im Folgenden wird daher nur auf den Teilprozess der Mineralisation eingegangen Mineralisation Durch das künstliche Absenken des Grundwasserspiegels (GW-Spiegel) im Moor, was Vorraussetzung für eine Landnutzung ist, wird die permanent wassergesättigte Bodenzone verkleinert. In der entwässerten Schicht des Moores kann Luft in die zuvor mit Wasser gefüllten Bodenporen eindringen. Dies führt zu einer Vergrößerung der durchlüfteten Bodenzone (Akrotelm). In der durchlüfteten Bodenschicht des Moores kommt es durch aerobe Abbauprozesse von Mikroorganismen dann zu einer Torfzehrung. Bei diesem, auch als Torfmineralisation bezeichneten Prozess, wird die über einen langen Zeitraum akkumulierte Biomasse von Mikroorganismen verstoffwechselt. Durch die Mineralisierung des Torfkörpers kommt es zu einer Mobilisierung von verschiedenen Stoffströmen aus dem Stoffpool des Moores (KOPPISCH 21). Zum einen kommt es während des Mineralisationsprozesses durch Sickerwasserbildung zu einem Austrag gelöster Stoffe aus dem Moorkörper in das Grund und Oberflächenwasser. Insbesondere mineralische Stickstoff-, Phosphor-, und Kohlenstoffverbindungen werden durch das Sickerwasser in die Gewässer eingetragen. Dort führen die aus dem Moor freigesetzten Nährstoffe dann zu einer verstärkten Eutrophierung und tragen somit zur Verschlechterung des Gewässerzustandes bei (KOPPISCH 21). Zum anderen kommt es während der Mineralisation zu einer Emission gasförmiger Verbindungen in die Atmosphäre. Die Emission der klimarelevanten Spurengase CO 2 und N 2 O in die Atmosphäre nimmt durch den Mineralisationsprozess stark zu, wohingegen sich die Emission von CH 4 durch die Mineralisierung verringert (AUGUSTIN 21, WESSOLEK et al. 1999). Nach MUNDEL (1976) ist das aus dem Boden entweichende CO 2 ein direktes Maß für den oxidativen Torfverzehr, da CO 2 das Endprodukt aller mikrobiellen Aktivität darstellt. Wie hoch die Torfzehrungsrate und die damit verbundene CO 2 -Emission ist, hängt vor allem vom Klima, dem C-Vorrat im Boden, dem Grundwasserstand, den Nährstoffverhältnissen, der Nutzungsart und der Moormächtigkeit ab. Auf diese Weise werden Moore, die in ihrer natürlichen Form eine Senke für atmosphärisches CO 2 darstellen, zu einer CO 2 Quelle (HÖPER 27). 4

11 Allgemeine Grundlagen Moore und der Klimawandel Atmosphärisches CO 2 ist ein klimawirksames Gas, das einen großen Anteil am globalen Treibhauseffekt hat. Im Zuge der Industrialisierung ist die Konzentration von CO 2 in der Atmosphäre markant gestiegen, was eine gravierende Änderung des globalen Klimas zur Folge hat (FORSTER et al. 27). Das Klimamodell STAR, das vom Potsdamer Institut für Klimafolgeforschung entwickelt wurde geht davon aus, dass die Jahresdurchschnittstemperatur in Brandenburg bis zum Jahr 25 um 1,5 C ansteigen wird. Im selben Zeitraum wird mit einem Rückgang der durchschnittlichen Sommerniederschläge um 4 mm gerechnet. Für das Ökosystem Moor kann der Wandel des Klimas eine Änderung des Wasser- und Temperaturhaushaltes bedeuten. In den Sommermonaten könnte der GW-Spiegel im Moor, bedingt durch den Rückgang der Sommerniederschläge, tiefer absinken als in der Vergangenheit. Der prognostizierte Anstieg der mittleren Jahrestemperatur hätte auch zur Folge, dass auch die mittlere Bodentemperatur ansteigt. Diese veränderten Umweltbedingungen würden dazu führen, dass sich der bereits stattfindende Moorschwund weiter beschleunigt. Die Mineralisation des Torfkörpers könnte durch die veränderten klimatischen Bedingungen zudem sehr begünstig werden, was eine vermehrte Freisetzung von CO 2 in die Atmosphäre zur Folge hätte (KLUGE et al. 28). 1.4 CO 2 -Freisetzung aus Mooren - Einflussgrößen Die CO 2 -Freisetzung aus Niedermooren wird von verschiedenen Faktoren beeinflusst. Die wichtigsten Einflussgrößen sind: - Der Grundwasserstand (Wassergehalt des Bodens) - Die Bodentemperatur bzw. das Klima (Lage des Gebietes) - Torfart und degradierung (Substrattyp, C-Gehalt) - Vegetation bzw. die Art der Bewirtschaftung (Drainage, Düngung) Die Freisetzung der klimarelevanten Spurengase NO 2 und CH 4 aus dem Moorboden korreliert ebenfalls mit den genannten Faktoren (LORENZ 28). Im Folgenden wird kurz auf die Bedeutung der einzelnen Einflussgrößen eingegangen. 5

12 Allgemeine Grundlagen Grundwasserstand Einen großen Einfluss auf die Freisetzung klimarelevanter Spurengase hat der Grundwasserstand (GW-Stand) (AUGUSTIN 21, WESSOLEK et al. 22, PARISH et al. 28). Bei den in naturnahen Mooren üblicherweise sehr hohen Grundwasserständen (bis hin zum Überstau) herrschen im Torfkörper anaerobe Verhältnisse. Dies hat zur Folge, dass nur ein Teil des abgestorbenen Pflanzenmaterials vollständig mineralisiert werden kann. In Mooren mit einem hohen Grundwasserstand und einer torfbildenden Vegetation kommt es daher zu einer Netto-CO 2 -Bindung (Torfakkumulation) aus der Atmosphäre (AUGUSTIN 21). Nach AUGUSTIN (21) liegen die CO 2 -Bindungsraten für Mitteleuropa im Durchschnitt bei 17 kg CO 2 -C pro Hektar und Jahr mit einem Schwankungsbereich von 1 bis 21 kg CO 2 -C pro Hektar und Jahr. Wird der Grundwasserstand im Moor abgesenkt kommt es zu einer Durchlüftung der oberen Bodenschicht. Aerobe Bedingungen in Teilen des Torfkörpers führen zur Mineralisierung des Torfkörpers und somit einem starken Anstieg der CO 2 -Freisetzung aus dem Moor. Zahlreiche Untersuchungen haben ergeben, dass eine eindeutige Abhängigkeit zwischen dem Grundwasserstand und der CO 2 -Freisetzung besteht (MUNDEL 1976, WESSOLEK et al. 22, CHIMNER & COOPER 23, KLUGE et al. 28, COUWENBERG et al. 28, COUWENBERG et al. 211). Bei den Untersuchungen zeigt sich, dass die CO 2 -Freisetzung mit sinkendem GW-Stand zunimmt und dass bei einem bestimmten GW-Stand eine maximale CO 2 -Feisetzung erreicht wird (je nach Studie 3 11 cm). Fällt der GW-Stand unter dieses Niveau nimmt die CO 2 -Freisetzung nicht weiter zu, sondern stagniert oder nimmt sogar leicht ab. Dieser Effekt wurde sowohl bei Lysimeteruntersuchungen an Moormonolithen (MUNDEL 1976), als auch bei Inkubationsmessungen gekoppelt mit Wasserhaushaltsmodellen nachgewiesen (WESSOLEK et al. 22, RENGER et al. 22, KLUGE et al. 28, LORENZ 28). Der Rückgang der CO 2 -Freisetzung bei tiefen Grundwasserständen hängt vermutlich mit der starken Austrocknung des Oberbodens zusammen. Bei sehr tiefen Grundwasser-ständen kann kein Wasser mehr durch kapillaren Aufstieg in die obere Bodenschicht nachgeliefert werden. Die Mikroorganismen im Boden geraten bei tiefen GW-Ständen daher in eine Wasserstresssituation, was zu verminderter Aktivität und damit zu geringeren CO 2 -Freisetzungsraten führt 6

13 Allgemeine Grundlagen (LAHIO 26). Insgesamt bleibt festzuhalten, dass der Torfschwund und die damit einhergehende Netto CO 2 -Emission deutlich schneller erfolgt als die Torfakkumulation, also die Netto CO 2 Bindung im Boden (AUGUSTIN 21) Temperatur/Klima Die Temperatur des Bodens hat ebenfalls einen großen Einfluss auf die Freisetzung von Spurengasen aus dem Moor. Dabei ist neben der mittleren Bodentemperatur auch deren Jahresgang von wesentlicher Bedeutung (LAIHO et al. 24). Bei einer ausreichenden Bodenfeuchte verbessern sich mit steigender Temperatur die Wachstumsbedingungen für Mikroorganismen. Bei hohen Bodentemperaturen kommt es neben dem vermehrten Abbau von leicht abbaubaren organischen Verbindungen durch verstärkte mikrobielle Aktivität auch zu einer Zersetzung von stabilen, hochmolekularen organischen Verbindungen. Dies hat zur Folge, dass es insgesamt zu einer verstärkten Mineralisation des Torfes und damit zu einer vermehrten Freisetzung von CO 2 kommt (DAVIDSON & JANSSENS 26). Die Abhängigkeit der CO 2 -Freisetzungsrate von der Bodentemperatur ist in zahlreichen Untersuchungen bestätigt worden (MUNDEL 1976, WESSOLEK et al. 22, DRÖßLER 25, KLUGE et al. 28, BERGLUND et al. 28). Um den Zusammenhang zwischen Bodentemperatur und Bodenatmung (gemessen als CO 2 -Emission) zu beschreiben wird häufig der Parameter Q 1 verwendet. Der Q 1 Wert gibt an, wie viel schneller eine Reaktion bei einer Temperaturerhöhung von 1 C abläuft. Bei einem Q 1 Wert von zwei würde eine Reaktion bei einer Temperaturerhöhung um 1 C demnach doppelt so schnell ablaufen. DRÖßLER (25) ermittelte bei Freilandmessungen auf einem bayrischen Hochmoor Q 1 Werte zwischen 1,71 und 3,16. Natürlich belassene Flächen wiesen dabei geringere Q 1 Werte auf als degradierte Flächen. Bei Laboruntersuchungen von Proben mit unterschiedlichen Bodenfeuchten wurden von KECHAVARZI et al. (29) sogar Q 1 Werte zwischen,9 und 8,2 gemessen. Untersuchungen von BERGLUND et al. (28) zeigen, dass der Q 1 Wert bei hohen Temperaturen (13-25 C; Q 1 = 2,1) kleiner ist als bei niedrigen Temperaturen (2-13 C; Q 1 = 3,). Das Klima, dass neben der Bodenfeuchte auch maßgeblich die Temperatur im Boden beeinflusst, hat demzufolge einen großen Einfluss auf den Torfabbau. Um CO 2 -Emissionen aus Mooren abschätzen zu können ist es daher wichtig die geographische Lage des Moores und die dort herrschenden klimatischen Verhältnisse zu kennen (LORENZ 28). 7

14 Allgemeine Grundlagen Ausgangssubstrat und Degradierungszustand Neben den klimatischen Verhältnissen hat auch das Ausgangssubstrat, also der Torf selbst, einen Einfluss auf die CO 2 -Freisetzung. Bei seinen Lysimeteruntersuchungen stellte MUNDEL (1976) fest, dass verschiedene Ausgangssubstrate bei gleichem Grundwasserstand und identischer Vegetation unterschiedliche CO 2 -Freisetzungsraten aufwiesen. Diese Erkenntnis wurde unter anderem in Arbeiten von WESSOLEK et al. (1999), RENGER et al. (22) und KLUGE et al. (28) für verschiedene Untersuchungsgebiete bestätigt. Dabei sind die Torfart, also das pflanzliche Ausgangsmaterial, wie Schilf, Segge, Moos, etc., sowie dessen C/N Verhältnis und der ph-wert des Bodens für die CO 2 -Freisetzung von Bedeutung (COUWENBERG et al. 28). Eine Möglichkeit zur Klassifizierung von Mooren hinsichtlich ihres Ausgangssubstrats, ihres Nährstoffgehalts und ihres ph-werts ist die Unterscheidung zwischen Hochmoor (oder Regenmoor) und Niedermoor. Hochmoore beziehen ihre Nährstoffe und ihr Wasser nur aus der Atmosphäre, wohingegen Niedermoore zusätzlich durch Grund- und Oberflächenwasser gespeist werden. Hochmoore sind daher im Vergleich zu Niedermooren eher nährstoffarme Ökosysteme (SUCCOW & JOOSTEN 21). Einen maßgeblichen Einfluss auf die Stoffumsetzungsprozesse im Boden und damit auf die CO 2 -Freisetzung haben auch die bodengenetischen Veränderungen des Torfes. Die Degradierung des Torfes durch Vererdung und Vermulmung spielt dabei eine wichtige Rolle. (WESSOLEK et al. 1999, ZEITZ & VELTY 22, RENGER et al. 22). Vererdete Torfe setzen nach Untersuchungen von RENGER et al. (22) bei gleichen Umweltbedingungen mehr CO 2 frei als vermulmte Torfe. Auch die Emission der klimarelevanten Spurengase NO 2 und CH 4 aus dem Boden sind nach Untersuchungen von AUGUSTIN (21) und BRIDGEHAM & RICHARDSON (1992) stark vom Substrattyp und dem Degradierungszustand des Torfes abhängig. Neben der Art des Ausgangssubstrates hat auch dessen Mächtigkeit des Torfes einen Einfluss auf die Menge des freigesetzten CO 2. Mit abnehmender Mächtigkeit des Torfkörpers, welche auch im Zusammenhang mit fortschreitender Degradierung steht, nimmt auch die Menge an freigesetztem CO 2 ab (MUNDEL 1976, RENGER et al. 22). 8

15 Allgemeine Grundlagen Landnutzung Die Art und Intensität der Bewirtschaftung eines Moores hat ebenfalls einen bedeutenden Einfluss auf die Freisetzung von Spurengasen aus dem Boden. Um Moorflächen für die Landwirtschaft nutzbar zu machen, bedarf es einer Intensiven Entwässerung durch umfangreiche Meliorationsmaßnahmen. So erfordert die Grünlandnutzung eines Moores eine Absenkung des GW-Spiegels auf,4 bis,8 m unter der Geländeoberkante (GOK), bei einer ackerbaulichen Nutzung muss der GW-Spiegel auf bis zu 1 bis 1,2 m unter GOK, abgesenkt werden. Zusätzlich kommt es bei einer landwirtschaftlichen Nutzung der Moorflächen zu einer Düngung des Bodens, zum Umbruch und zur Neusaat, sowie zur Ernteeinbringung mit schweren Maschinen. All diese Faktoren verändern die bodenphysikalischen und bodenchemischen Eigenschaften des Moores und können in der Summe zu einer Steigerung der CO 2 -Freisetzung führen (OLESZCZUK et al. 28). Neben der Entwässerung verursacht vor allem der Umbruch eine erhöhte Belüftung des Bodens, was zu einer verstärkten Mineralisation führt (STEGEMANN & ZEITZ 21). Zusätzlich führen die durch Düngung in den Boden eingetragenen Nährstoffe zu einer Steigerung der mikrobiellen Aktivität und somit zu einem vermehrten Abbau von organischer Substanz (KECHAVARZI et al. 29). Aus diesem Grund zeigt sich in vielen Untersuchungen, dass bei ackerbaulich genutzten Mooren die CO 2 -Freisetzung höher ist als auf Flächen die einer intensiven Grünlandnutzung unterliegen. Noch geringer ist die CO 2 -Freisetzung bei extensiver Grünlandnutzung (AUGUSTIN 21, JOOSTEN & CLARKE 22, HÖPER 27). Untersuchungen von BYRNE et al. (24) hingegen zeigen, dass die CO 2 -Emissionen von europäischen Niedermooren die als Acker oder als Grünland genutzt werden in etwa vergleichbar sind (vgl. Kap. 2.2). Neben der Landnutzung hat auch der Pflanzenbestand einen Einfluss auf die Freisetzung von Spurengasen aus dem Boden. Der Anteil der Wurzelatmung an der CO 2 -Emission kann nach Untersuchungen von HAPPELL & CHANTON (1993) zwischen 6 und 6% liegen. AUGUSTIN (21) fand heraus, dass insbesondere mineralische und organische N-Düngergabe auf Moore unter Grünlandnutzung zu einer kurzzeitig stark erhöhten Lachgasemission führen. Düngung mit Rinderkot hingegen führt zu einer erhöhten Methanemission. Bei dem Vergleich eines extensiv genutzten Niedermoorgrünlandes mit N-Düngergaben (bis zu 12 kg N/ha) mit einer 9

16 Allgemeine Grundlagen ungedüngten Kontrollfläche konnte jedoch nur eine geringe bis mäßige Steigerung der NO 2 -Emission festgestellt werden (AUGUSTIN 21). 1.5 Methoden zur Bestimmung der CO 2 -Freisetzung aus Mooren Um die CO 2 -Freisetzung aus Moorböden zu bestimmen gibt es verschiedene Methoden (vgl. KASIMIR-KLEMEDTSSON et al. 1997). - Abschätzung der Emission durch Erfassung der Höhenabnahme - Messung des CO 2 -Flusses im Gelände - Labormessungen mit anschließender Modellierung des Bodenwasserund Temperaturhaushaltes Höhenabnahme Bei entwässerten Moorstandorten kann man über lange Zeiträume (mehrere Jahre bis Jahrzehnte) Höhenverluste feststellen, die auf Sackung, Schrumpfung und Torfmineralisation zurückzuführen sind (HÖPER 27). Unmittelbar nach der Entwässerung des Moores kommt es zu sehr großen Höhenverlusten die primär durch die Verdichtung der entwässerten Torfschicht verursacht werden. Nach einigen Jahren ist jedoch die Oxidation des Torfes der primäre Grund für die Höhenabnahme (KASIMIR-KLEMEDTSSON et al. 1997). Aus dem jährlichen Höhenverlust kann, bei einer Kenntnis der Lagerungsdichte des Torfes, annäherungsweise der Kohlenstoffverlust des Bodens berechnet werden (HÖPER 27). Eine genauere Abschätzung des Kohlenstoffverlustes kann durch eine Profilbilanzierung erreicht werden. Dabei wird die Änderung der Lagerungsdichte, des C-Gehaltes und der Mächtigkeit der einzelnen Torfschichten durch eine Beprobung zu verschiedenen Zeitpunkten erfasst (KLUGE et al. 28, ROGIER et al. 28, LEIHFELD et al. 211) Flussmessung Bei der Flussmessung wird die CO 2 -Freisetzung aus dem Boden mit Hilfe eines geschlossenen Haubensystems erfasst. Dabei wird eine Haube über einer Untersuchungsfläche platziert. Die Gaskonzentration unter der Haube wird 1

17 Allgemeine Grundlagen dann in regelmäßigen Abständen gemessen. Es gibt lichtundurchlässige Haubensysteme, mit denen sowohl die Respiration von Pflanzen und Wurzeln erfasst wird, als auch die Mineralisation des Torfes und neu entstandener organischer Substanz (R eco ) (BERGLUND et al. 28). Transparente Haubensysteme ermöglichen es die Photosyntheseleistung der Pflanzen bei der CO 2 - Messung mit zu erfassen und somit den Nettoökosystemaustausch (NEE) zwischen Boden und Atmosphäre zu bestimmen. Alternativ kann der Gasfluss aus dem Boden auch mittels tower-flux-measurement gemessen werden. Dabei wird die CO 2 -Konzentration der Luft nahe der Bodenoberfläche in verschiedenen höhen bestimmt. Über den Gradienten der CO 2 -Konzentration in der Luft ist es möglich die CO 2 -Freisetzung aus dem Boden zu berechnen (GRANT &ROULET 22). Durch eine hoch aufgelöste Messung von Klimaparametern der Untersuchungsfläche ist es möglich den jährlichen Gasfluss abzuschätzen (DRÖßLER 25). Gasfluss-Messungen können auch auf Lysimetern durchgeführt werden. Auf diese Weise ist es möglich den GW- Stand zu steuern und so gezielt zu untersuchen (BERGLUND et al. 28) Labormessung und Modellierung Bei dieser Methode werden die hydraulischen und thermischen Eigenschaften des Torfes mit Hilfe von Laboruntersuchungen bestimmt. Anhand dieser Informationen wird ein Modell konstruiert, das den Bodenwasser- und Temperaturhaushalt der zu untersuchenden Fläche berechnet. Als Randbedingung müssen die Klimadaten des Untersuchungsgebietes sowie die jahreszeitliche Dynamik des Bodenwasserhaushaltes in das Modell mit einfließen (WESSOLEK et al. 22). Zusätzlich wird in Inkubations-experimenten die CO 2 -Freisetzung von Torfproben in Abhängigkeit von Temperatur und Wassergehalt im Labor gemessen (vgl. Kap. 4). Auf diese Weise kann die CO 2 -Freisetzung einer definierten Torfmenge (oder Volumen) als eine Funktion der Bodentemperatur und des Bodenwassergehaltes beschrieben werden. Durch eine Verknüpfung der CO 2 -Freisetzungsfunktion mit dem Modell zur Berechnung des Bodenwasser- und Temperaturhaushaltes kann die Menge des aus dem Boden freiwerdenden CO 2 bilanziert werden (WESSOLEK et al. 22, KLUGE et al. 28, LORENZ 28). 11

18 Studien zur CO2-Freisetzung aus Mooren 2 Studien zur CO 2 -Freisetzung aus Mooren Es gibt eine Vielzahl nationaler und internationaler Studien, die sich mit der CO 2 -Freisetzung von Mooren befasst haben. Im folgenden Kapitel werden die Ergebnisse einiger dieser Untersuchungen vorgestellt und miteinander verglichen. 2.1 International Weltweit gibt es zahlreiche Studien und Forschungsprojekte die sich mit der Problematik von CO 2 -Freisetzung aus Mooren befassen. Der Großteil der Untersuchungen zur Emission von CO 2 aus Mooren wurde jedoch in Europa, insbesondere in Skandinavien, und in Nordamerika durchgeführt. Auch die Vereinten Nationen haben sich in Form des Interngovermental Panel on Climate Change (IPCC) mit der Freisetzung klimarelevanter Gase aus anthropogen beeinflussten Mooren beschäftigt. In dem Bericht Good Practice Guidance - Land Use, Land Use Change an Forestry (GPG-LULUCF) werden mittlere CO 2 -Emissionsfaktoren für Moorböden abgeleitet. Dabei wird eine Unterteilung in verschiedene Moortypen und Moornutzungsarten vorgenommen (Abb. 3). Die Emissionsfaktoren dienen einer ersten Abschätzung der CO 2 - Emissionen aus bewirtschafteten Mooren. 2 Hochmoor 15 Niedermoor CO 2 -C [t/ha/a] 1 5 Wald Drainage Torfstich Grassland Acker Abb. 3: Jährliche CO 2 -Freisetzung verschiedener Moortypen und Landnutzungsarten. Die Fehlerbalken stellen den höchsten und niedrigsten angegebenen Wert dar (IPCC GPG 24, IPCC GPG 2). 12

19 Studien zur CO2-Freisetzung aus Mooren Aus Abb. 3 geht hervor, dass es für unterschiedliche Moortypen und Landnutzungsarten eine große Spannbreite in der CO 2 -Freisetzung gibt. In den IPCC Berichten werden Emissionswerte zwischen,25 und 1 t CO 2 -C/ha/a angegeben. An den teilweise großen Fehlerbalken in Abb. 3 ist zu erkennen, dass selbst bei gleicher Nutzungsart und gleichem Moortyp sehr unterschiedliche Werte für die CO 2 -Freisetzung angegeben werden. Dies war zu erwarten, da in dem GPG-LULUCF Bericht Emissionswerte aus Studien zusammengetragen wurden, die in verschiedenen Regionen der Welt durchgeführt worden sind. Die unterschiedlichen klimatischen und morphologischen Bedingungen der Untersuchungsgebiete haben jedoch einen entscheidenden Einfluss auf die CO 2 -Freisetzung aus dem Moor (vgl. Kap. 1.4). Um die Emissionen eines Untersuchungsgebietes aus der Region Berlin - Brandenburg abzuschätzen sind diese Daten daher ungeeignet. 2.2 Europa In Europa sind 5-6% der Landfläche mit Mooren bedeckt, in denen 42 Gt Kohlenstoff gespeichert sind. Der größte Teil der Moore in Europa befindet sich im Tiefland der borealen und gemäßigten Breiten, wo der Wasserabfluss behindert wird, die Niederschlagsraten hoch sind und es durch niedrige Temperaturen nur geringe Evapotranspiration gibt. In Russland befindet sich ungefähr die Hälfte der europäischen Moore. Weitere bedeutende Moorvorkommen gibt es in Skandinavien, Weißrussland, Groß Britannien, Irland, Deutschland, Polen und Estland. In Europa unterliegen ca. 5% der Moore verschiedensten Arten der Landnutzung, die oft mit einer Entwässerung verbunden ist (DRÖßLER et al. 28). Europaweit wurden im Rahmen des CarboEurope Clusters durch die Arbeitsgruppe CarboEurope-GHG die Messungen von Treibhausgasemissionen aus europäischen Mooren zusammengetragen. Aus diesen Daten wurden unter anderem auch mittlere CO 2 - Freisetzungsraten von Nieder- und Hochmoorböden bei unterschiedlichen Nutzungsvarianten abgeleitet (Abb. 4) (BYRNE et al. 24). Die ermittelten CO 2 -Freisetzungsraten dienen jedoch lediglich einer Einschätzung der Größenordnung und sind nicht unbedingt repräsentativ für Europa, da ein Großteil der verwendeten Daten aus Finnland stammt und für verschiedene Nutzungsvarianten unterschiedlich viele Datensätze zur CO 2 -Freisetzung zur Verfügung standen (DRÖßLER et al. 28). 13

20 Studien zur CO2-Freisetzung aus Mooren Hochmoor Niedermoor CO 2 -C [t/ah/a] Wald Drainage Grassland Acker Torfstich Brache Wiedervernässt Natürlich Abb. 4: Jährliche CO 2 -Freisetzung verschiedener Moortypen und Landnutzungsarten in Europa. Die Fehlerbalken stellen den höchsten und niedrigsten gefundenen Wert in der Literatur dar (nach BYRNE et al. 24 aus DRÖßLER et al. 28). Die von der Arbeitsgruppe CarboEurope-GHG zusammengetragenen Freisetzungsraten reichen von 4,12 t CO 2 -C/ha/a bei einer Nutzung als Ackerland bis zu einer Aufnahme von,2 t CO 2 -C pro Hektar und Jahr in natürlichen Mooren. Die teilweise großen Fehlerbalken in Abb. 4 zeigen, dass bei gleicher Nutzungsart und gleichem Moortyp auch innerhalb Europas sehr heterogene Werte für CO 2 -Freisetzungsraten gemessen wurden (DRÖßLER et al. 28). Vergleicht man die von Carboeurope und IPCC ermittelten CO 2 - Freisetzungsraten, werden große Unterschiede deutlich. Die Arbeitsgruppe CarboEurope-GHG schätzt die CO 2 -Emissionen, die aus ackerbaulich genutzten Flächen freigesetzt werden, deutlich geringer ein als der IPCC. Die CO 2 -Freisetzung aus Mooren die einer Grasslandnutzung unterliegen werden hingegen von Carboeurope als deutlich höher eingeschätzt als durch den IPCC (vgl. Abb. 3 & 4). 14

21 Studien zur CO2-Freisetzung aus Mooren Die CO 2 -Emissionswerte der Carboeurope-Studie basieren größtenteils auf Untersuchungen die in Finnland durchgeführt wurden. Die CO 2 -Freisetzungsraten von Mooren aus der Borealen Zone unterscheiden sich jedoch unter anderem aufgrund der klimatischen Verhältnisse von den CO 2 -Emissionen aus Mooren die sich in den gemäßigten Breiten befinden (BYRNE et al. 24). Da die CO 2 -Emissionswerte der Carboeurope-Studie stark von Untersuchungsergebnissen von in Deutschland durchgeführten Studien abweichen, verwendet das UBA in seinem Treibhausgasinventarbericht 21 andere Emissionsfaktoren. Für Moorflächen in Deutschland werden Emissionsfaktoren in einem Bereich von 5 t CO 2 -C/ha/a unter Grünland- und 11 t CO 2 -C/ha/a unter Ackernutzung angenommen (UBA 21). Um eine CO 2 -Freisetzungsrate für die Region Berlin - Brandenburg abzuschätzen sind die Emissionswerte von Carboeurope daher nicht repräsentativ genug. 2.3 Gemäßigte Breiten / Deutschland In Deutschland gibt es ungefähr noch 14. km² Moorfläche. Die Moorvorkommen konzentrieren sich dabei besonders auf die nördlichen und südlichen Bundesländer. In der Region Berlin - Brandenburg befinden sich mit 2223 km² ungefähr 7% der deutschen Moorflächen (COUWENBERG & JOOSTEN 21). Anders als in den skandinavischen Ländern gibt es in Deutschland keine umfangreichen nationalen Untersuchungsprogramme die sich mit der CO 2 -Freisetzung aus Mooren beschäftigen (HÖPER 27). In seinem Bericht zur Freisetzung von Treibhausgasen aus deutschen Mooren hat HÖPER (27) nutzungs- und moortypabhängige CO 2 -Freisetzungsraten für Moore in den gemäßigten Breiten abgeleitet (Abb. 5). Dabei greift HÖPER (27) im Wesentlichen auf Untersuchungen aus Deutschland, den Niederlanden, Großbritannien, Irland, Südschweden und den nördlichen USA zurück. 15

22 Studien zur CO2-Freisetzung aus Mooren 2 Hochmoor CO 2 -C [t/ha/a] Niedermoor Acker Grassland Intensiv Grassland Extensiv Wald Abb. 5: Jährliche CO 2 -Freisetzung verschiedener Moortypen und Landnutzungsarten in den gemäßigten Breiten. Die Fehlerbalken stellen den höchsten und niedrigsten gefundenen wert in der Literatur dar (nach HÖPER 27). Auch in Abb. 5 wird noch einmal deutlich, dass eine nach landnutzungs- und moortypdifferenzierte Betrachtung der CO 2 -Freisetzungsraten notwendig ist. Die von HÖPER (27) angegeben CO 2 -Emissionsraten reichen von 1,3 t CO 2 - C/ha/a aus bewaldeten Hochmoorflächen bis hin zu 11,2 t CO 2 -C/ha/a aus ackerbaulich genutzten Niedermoorflächen. Sowohl im Vergleich zu den von BYRNE et al. (24) als auch zu den vom IPCC (2, 24) angegeben CO 2 - Emissionen gibt es Differenzen. Lediglich ackerbaulich genutzte Moorstandorte haben nach Erkenntnis aller drei Untersuchungen verhältnismäßig hohe CO 2 - Freisetzungsraten. Flächen die einer Grasslandnutzung unterliegen haben nach HÖPER (27) und BYRNE et al. (24) vergleichbare CO 2 -Freisetzungsraten, wohingegen der IPCC (2, 24) die CO 2 -Emissionen aus diesen Flächen deutlich geringer einschätzt (vgl. Abb. 3, 4 & 5). Einen Überblick über die von verschiedenen Autoren ermittelten CO 2 - Freisetzungsraten in Deutschland gibt Tab. 1. Zusätzlich werden in der Tabelle noch die Nutzungsart sowie die angewandte Untersuchungsmethode angegeben, um eine differenzierte Betrachtung der unterschiedlichen Freisetzungsraten zu ermöglichen. 16

23 Studien zur CO2-Freisetzung aus Mooren Tab. 1: CO 2 -C-Freisetzungsraten aus entwässerten Moorböden in Deutschland (nach KLUGE 28). Autoren Untersuchungsgebiet Wasserregime/ Nutzung Mess- und Berechnugsmethode CO 2 -C- Freisetzung [kg/ha/a] MUNDEL (1976) Paulinenaue, Brandenburg; Mächtiges Niedermoor Grasslandnutzung mit GW- Ständen zwischen 3 12 cm unter GOK Lysimeterversuche, künstlich geschüttet WESSOLEK et al. (1999) Rhinluch, Brandenburg; degradiertes Niedermoor intensive Grasslandnutzung mit GW- Ständen zwischen 3 5 cm unter GOK Massenbilanzierung über Mächtigkeitsverlust, TRD & C org (Zeitraum: 22 a) 38 GENSIOR & ZEITZ (1999) Biesenbrow Brandenburg; degradiertes Niedermoor Überstau, intensive Grasslandnutzung, drainiert CO 2 Flussmessung - 56 MEYER et al. (21) Dümmer, Niedersachsen; Niedermoor Grasslandnutzung, drainiert, Sommer GW-Stand 57 cm unter GOK Geschlossene- Kammer-Methode, Flussmessungen 412 WESSOLEK et al. (22) RENGER et al. (22) KLUGE (23) Rhinluch, Brandenburg; degradiertes Niedermoor Rhinluch, Brandenburg; degradiertes Niedermoor Randow-Welse- Bruch, Brandenburg; degradiertes Niedermoor intensive Grasslandnutzung mit GW-Ständen zwischen 3 13 cm unter GOK intensive Grasslandnutzung mit GW-Ständen zwischen 3 12 cm unter GOK intensive Grasslandnutzung mit GW-Ständen zwischen 5 12 cm unter GOK Probenahme, Respirationsmessung und Modellierung Probenahme, Respirationsmessung und Modellierung Massenbilanzierung über Mächtigkeitsverlust, TRD & C org (Zeitraum: 4 a) DRÖßLER (25) Kendlmühlfilze Bayern; degradiertes Hochmoor drainiert mit GW- Ständen zwischen cm unter GOK Geschlossene- Kammer-Methode, Flussmessungen LORENZ (28) KLUGE et al. (28) Spreewald, Brandenburg; vererdetes Niedermoor auf Auensand Randow-Welse- Bruch, Brandenburg; degradiertes Niedermoor verschiedene Varianten mit GW- Ständen zwischen 2 11 cm unter GOK intensive Grasslandnutzung mit GW-Ständen zwischen 3 8 cm unter GOK Probenahme, Respirationsmessung und Modellierung Probenahme, Respirocondmessung und Modellierung

24 Studien zur CO2-Freisetzung aus Mooren Die in Tab. 1 aufgeführten CO 2 -Freisetzungsraten liegen in einem Bereich zwischen 16-7 kg CO 2 -C/ha/a. Berücksichtigt man Moortyp und Nutzungsart sind die zusammengestellten CO 2 -C-Freisetzungsraten mit denen von HÖPER (27) und BYRNE et al. (24) ermittelten Werten vergleichbar bzw. liegen in den angegebenen Schwankungsbereichen. Die ungefähre geographische Lage der Untersuchungsgebiete aus Tab. 1 ist in einer Übersichtskarte dargestellt (Abb. 6) Lediglich die von LORENZ (28) ermittelten CO 2 -Freisetzungsraten liegen außerhalb der angegeben Schwankungsbereiche von HÖPER (27). Ein Grund ist möglicherweise, dass die Untersuchungen von LORENZ (28) im Spreewald auf sehr flachgründigen Moorflächen mit Mächtigkeiten von 3 7 cm durchgeführt wurden. Nach Untersuchungen von MUNDEL (1976) sind die CO 2 -Emission aus mächtigen Mooren größer als aus mittelmächtigen bzw. geringmächtigen Mooren. Abb. 6: Geographische Lage der in Tab. 1 aufgeführten Untersuchungsgebiete. 1 (MUNDEL 1976); 2 (WESSOLEK et al. 1999, WESSOLEK et al. 22, RENGER et al. 22); 3 (GENSIOR & ZEITZ 1999); 4 (MEYER et al. 21); 5 (KLUGE 23, KLUGE et al. 28), 6 (DRÖßLER 25), 7 (LORENZ 28). 18

25 Studien zur CO2-Freisetzung aus Mooren 2.4 Differenzierte Betrachtung von CO 2 Messdaten norddeutscher Niedermoore Mit Ausnahme der Untersuchungen von DRÖßLER (25) wurden alle in Tab. 1 aufgeführten Studien auf norddeutschen Niedermooren durchgeführt. Die klimatischen Randbedingungen und die Bewirtschaftungsart sind bei allen Studien also sehr ähnlich. Um die dennoch teilweise großen Unterschiede in der CO 2 -Freisetzung differenzieren zu können, wurden die CO 2 -Freisetzungsraten aus den verschiedenen Untersuchungen in Beziehung zu den herrschenden bzw. eingestellten GW Ständen gesetzt, sofern diese in den Studien angegeben wurden (Abb. 7). 8 CO 2 -C [t/ha/a] a 6b a 6b a 1 5 6b 7 6a b y = -5,31E-4x 2-1,15E-1x + 2,61E-1 R 2 = 8,6E Grundwasserstand [cm] Abb. 7: Jährliche CO 2 -C-Freisetzung aus mächtigen norddeutschen Niedermooren unter Grünlandnutzung in Abhängigkeit vom Grundwasserstand 1. 1 : Daten aus Labormessung mit anschließender Modellierung; : Daten aus Gasflussmessungen; : Daten aus Massenbilanzierung über Mächtigkeitsverlust. Zusammenstellung von Ergebnissen folgender Autoren: 1 (MUNDEL 1976); 2 (WESSOLEK et al. 1999);3 (GENSIOR & ZEITZ 1999); 4 (MEYER et al. 21); 5 (WESSOLEK et al. 22); 6a, 6b (RENGER et al. 22); 7 (KLUGE 23); 8 (KLUGE et al. 28). Anzahl der Datenpunkte n = 28. Die Abhängigkeit der CO 2 -Freisetzung vom GW-Stand ist in Abb. 7 deutlich zu erkennen. Bei einem Grundwasserstand nahe der Geländeoberkante gibt es 19

26 Studien zur CO2-Freisetzung aus Mooren fast keine CO 2 -Freisetzung aus dem Boden. Mit sinkendem GW-Stand nimmt die jährliche CO 2 -Freisetzung stetig zu, bis sie bei einem Grundwasserabstand von ca. 17 cm ein Maximum erreicht. Beachtlich ist, dass sich die aus Massenbilanzierung, Freilandmessungen und Laborexperimenten mit anschließender Modellierung ermittelten Freisetzungsraten sehr in ihrer Abhängigkeit zum GW-Stand ähneln. Weiterhin zeigt sich, dass alle ermittelten Werte in einem ähnlichen Größenbereich liegen. Eine mit MS Excel durchgeführte Regressionsanalyse der in Abb. 7 verwendeten Daten ergab folgenden mathematischen Zusammenhang zwischen Grundwasserstand und CO 2 - Freisetzung: y = -5,31E-,4*x 2 1,15E-,1*x + 2,61E-1 [1] mit: y - CO 2 -C-Freisetzung [kg/ha/a]; x - Grundwasserstand unter GOK [cm]. Das Bestimmtheitsmaß von Formel 1 beträgt R² =,85. Der ermittelte Kurvenverlauf ist in der Literatur z.b. bereits von MUNDEL (1976), WESSOLEK (22) und KLUGE (28) ähnlich beschrieben worden. Die Abnahme der Torfmineralisation bei sehr großen Grundwasserabständen (>1 cm) hängt vermutlich mit der starken Austrocknung der oberen Bodenschicht zusammen. Laut Bodenkundlicher Kartieranleitung (AD-HOC AG BODEN 25) beträgt der kapillare Aufstieg bei Torfen der Zersetzungsstufe H5 H1 bei einem GW- Stand von 7 cm unter GOK ca.,3 mm/d. Bei einem GW-Stand von 1 cm unter GOK steigt hingegen überhaupt kein Wasser mehr kapillar auf, was in Trockenperioden zu einer starken Austrocknung des Oberbodens führt (AD-HOC AG BODEN 25). Die Umweltbedingungen für die Bodenorganismen verschlechtern sich bei zunehmendem Trockenstress, was zu einem verminderten Torfabbau und somit zu geringeren CO 2 - Freisetzungsraten führen kann (WESSOLEK 1999). 2

27 Charakterisierung der Untersuchungsgebiete 3 Charakterisierung der Untersuchungsgebiete Die untersuchten Moorstandorte befinden sich in Berlin und Umland. Im Folgenden Kapitel werden die einzelnen Moore kurz beschrieben und charakterisiert. In Abb. 8 sind die geographische Lage der Untersuchungsgebiete und die Probenahmepunkte in einer Übersichtskarte dargestellt. Abb. 8: Geographische Lage der zur Messung der CO 2 -Freisetzung beprobten Moore im Raum Berlin - Brandenburg. 21

28 Charakterisierung der Untersuchungsgebiete 3.1 Bieselfließ Niederung Abb. 9: Links: Hertamoor am nördlichen Rand der Bieselfließ Niederung. Rechts: Bodenprofil in der Bieselfließ Niederung. Die Bieselfließ Niederung befindet sich am südwestlichen Rand der Barnimer Grundmoränenplatte an der Landesgrenze von Berlin - Brandenburg. Sie liegt in einer Schmelzwasserrinne die sich während des Weichselglazials herausgebildet hat. Sie erstreckt sich in nordwest-südöstlicher Richtung. Nach Osten hin wird die Bieselfließ-Rinne von einer Grundmoränenhochfläche, bestehend aus Geschiebedecksanden über Geschiebelehm und mergel, abgegrenzt. Westlich der Rinnenstruktur befindet sich ein Flugsandgebiet mit Dünen die von Schmelzwassersanden unterlagert werden (GEOLOGISCHE KARTE 1:25, 1937). Die Bieselfließ Niederung entspricht nach SUCCOW und JOOSTEN (21) dem hydrologisch-genetisch Moortyp Versumpfungsmoor, sowie dem ökologischen Moortyp eutrophes Niedermoor. Die Mächtigkeit der Torfschicht in der Bieselfließ Niederung liegt laut Auskunft des Landesamtes für Bergbau Geologie und Rohstoffe Brandenburg bei über 2 Meter (LGRB 21). An der Entnahmestelle der Stechzylinderproben ließ sich die Torfart des obersten, ca. 45 cm mächtigen Horizonts, nicht mehr charakterisieren. Der oberste Horizont wurde als vererdeter Niedermoortorf (nhv) angesprochen, da Pflanzenstrukturen nicht mehr erkennbar waren (H8 - H9). Der darunter liegende Horizont, beginnend in ca. 45 cm Tiefe, besteht aus schwach bis mittel zersetzten (H3 - H5) Schilf- und Seggentorfen (nhw). 22

29 Charakterisierung der Untersuchungsgebiete Der größte Teil der Niedermoorfläche wird extensiv als Grünland genutzt oder ist von naturnaher Vegetation bedeckt, ein kleinerer Teil unterliegt forstlicher Nutzung. In historischen Karten von 1937 sind bereits Grabenstrukturen eingezeichnet, die auf eine langwierige Entwässerung des Niedermoores hindeuten. Während der deutschen Teilung gehörte die Bieselfließ Niederung zum Grenzgebiet. Zu dieser Zeit erfolgte eine intensive Entwässerung des Moores. Auf Teile der nördlichen Niederungsfläche ist Bauschutt aufgebracht worden, der z.t. mit der obersten Torfschicht durchmischt wurde. 3.2 Lietzengraben Niederung Abb. 1: Links: bewaldete Niederungsfläche, Probenahmestandort. Rechts: Lietzengraben Niederung mit Blickrichtung von West nach Ost. Die Lietzengraben Niederung, auch als Gorinsee-Wiesen bezeichnet, befindet sich der auf der Barnimer Grundmoränenplatte an der nördlichen Landesgrenze von Berlin - Brandenburg. Die mit einem Moor ausgefüllte Niederung liegt in einer, während des Weichselglazials entstanden, Schmelzwasserrinne und erstreckt sich von West nach Ost. Das umliegende Gelände besteht vorwiegend aus fein- bis grobkörnigen Sanden aus Schmelzwasserablagerungen die am Rand der Niederung von Talsanden abgelöst werden. Nordöstlich der Lietzengraben Niederung befinden sich Flugsand Dünen (GEOLOGISCHE KARTE 1:25, 1921). 23

30 Charakterisierung der Untersuchungsgebiete Der ökologische Moortyp ist ein eutrophes Niedermoor, das an seinen tiefsten Stellen durch die Verlandung eines Gewässers entstanden ist. Diese Standorte werden durch unterlagernde Mudden gekennzeichnet. Größere, vorwiegend randliche Bereiche des Moores werden nicht von Mudden unterlagert sondern liegen direkt auf den Talsanden auf und entsprechen dem hydrologischgenetisch Moortyp Versumpfungsmoor. Es treten Bruchwald-, Seggen- und Schilftorfe auf, die mäßig bis stark zersetzt sind (H8 H9). Die Torfe sind bis zu 16 cm mächtig. Die obersten 2-4 cm sind mehr oder weniger stark vererdet und oft mineralreich (SUCCOW & DOERNER 1973). An der Probenahmestelle waren die Torfe in einer Tiefe von ca. 2 cm sehr stark zersetzt (H1). Anfang des zwanzigsten Jahrhunderts wurde damit begonnen Abwasser aus Berlin auf den Rieselfeldern bei Hobrechtsfelde zu versickern. Bis ca wurde auf den sandigen Böden südlich der Lietzengraben Niederung und teilweise auch auf den Moorböden Abwasser verrieselt. Die Einstellung des Rieselfeldbetriebes 1985 führte zu einer massiven Absenkung der Grundwasserstände (PFÜTZNER 25). Durch diese Berieselung wurde das Moor stark eutrophiert (SUCCOW & DOERNER 1973). Die Moorböden nördlich des Lietzengrabens unterliegen extensiver Grünlandnutzung. Südlich des Grabens startete 211, nach erfolglosen Aufforstungsversuchen, ein Beweidungsprojekt zur Erhaltung einer halboffenen Waldlandschaft (NP BARNIM 29). 24

31 Charakterisierung der Untersuchungsgebiete 3.3 Hundekehlefenn Abb. 11: Links: Torfprobe aus dem Hundekehlefenn (ZAK et al. 29). Rechts: Hundekehlefenn mit Blickrichtung von Nord nach Süd. Das Hundekehlefenn liegt in einer Schmelzwasserrinne die während des Weichselglazials (7 1 Jahre v. Chr.) entstanden ist. Diese glaziale Rinne, die auch als (westliche) Grunewaldrinne bezeichnet wird, verläuft am östlichen Rand des Grunewaldes und durchschneidet die sandig-lehmige Teltow-Hochfläche. Das Hundekehlefenn liegt zwischen dem Hundekehlesee im Norden und dem Grunewaldsee im Süden und ist durch die nacheiszeitliche Verlandung eines Sees entstanden (ZAK et al. 29). Nach SUCCOW & JOOSTEN (21) entspricht das Hundekehlefenn dem hydrologisch-genetischen Moortyp Verlandungsmoor, sowie dem ökologischen Moortyp mesotroph-subneutrales Niedermoor (ZAK et al. 29). Das Hundekehlefenn hat eine Fläche von ca. 1,1 ha und eine Moormächtigkeit von ca. 4, m (zentraler Teil). Die vorwiegenden Torfarten sind Torfmoostorfe, Seggentorfe und Braunmoostorfe. In den oberen 1-2 cm ist der Torf mittel bis stark (H8 H9), in 4 5 cm Tiefe hingegen nur schwach (H3) zersetzt (ZAK et al. 29). An der Entnahmestelle der Stechzylinderproben waren die Torfe in 2 cm Tiefe nur schwach zersetzt (H3 H4). 25

32 Charakterisierung der Untersuchungsgebiete Wie die anderen Moore und Seen in der Grunewaldrinne wird auch das Naturschutzgebiet Hundekehlefenn durch die Grundwasserförderung der Wasserwerke Tiefwerder bzw. Beelitzhof beeinträchtigt wurde der Hundekehlegraben gebaut, der den Grunewaldsee und den Hundekehlesee verbindet und das Hundekehlefenn nach Osten hin abgrenzt. Dieser Graben ist Teil eines Gewässersystems durch das Havelwasser in die Grunewaldseenkette gepumpt wird. Auf diese Weise soll der durch die Grundwasserförderung entstehende Wassermangelsituation in den Gewässern der Grunewaldrinne, entgegengewirkt werden (SCHEFFLER 211). 3.4 Teufelsmoor Abb. 12: Links: Grundwassermessstelle im Teufelsmoor. Rechts: Teufelsmoor mit Blickrichtung von Ost nach West. Das Teufelsmoor befindet sich im Warschau-Berlin Urstromtal und liegt am Rand der Stauchendmöräne (Müggelberge). Gegen Ende des Weichselglazials blieben im Urstromtal sogenannte Toteisblöcke zurück, nachdem der Gletscher abschmolz. Durch die klimatischen Änderungen während des Überganges zur heutigen Warmzeit schmolzen die verschütteten Toteiskörper ab und hinterließen zahlreiche Hohlformen. In einer solchen wassergefüllten glazialen Hohlform bildete sich das Teufelsmoor (KÖNIG & MENZEL 1994). 26

33 Charakterisierung der Untersuchungsgebiete Nach SUCCOW & JOOSTEN (21) entspricht das Teufelsmoor dem hydrologisch-genetischen Moortyp Kesselmoor, sowie dem ökologischen Moortyp mesotroph-saures Niedermoor. Das Teufelsmoor hat eine Fläche von ca. 6,7 ha und die Torfmächtigkeit liegt im Zentrum bei ca. 7 Metern. Im Kernbereich des Moores werden die Torfe von Lebermudden, im Randbereich von Feindetritusmudden unterlagert. Über den Mudden befinden sich Laubmoostorf und Wollgrastorfe mit sehr niedrigen Zersetzungsgraden (H1 - H2). Ab einer Tiefe von 3,5 m unter GOK aufwärts sind verstärkt Sphagnum-Torfe mit mittelstarken Zersetzungsgraden (H5 H6) anzutreffen (WASY 1996). An der Entnahmestelle der Proben hatten die Torfe in einer Tiefe von ca. 2 cm eine schwache bis mittlere Zersetzungsstufe (H3 H5). Im Juli 1982 wurde die F-Galerie (Brunnen-Galerie) des Wasserwerks Friedrichshagen zur Grundwasserförderung in Betrieb genommen. Daraufhin bildete sich ein Absenkungstrichter in dessen Wirkungsbereich das Teufelsmoor liegt (KÖHLER 24). Die Grundwasserabsenkung lässt die Torfmoose, die die Stabilität des Systems gewährleisten, absterben. Durch die Belüftung kommt es zur Mineralisierung der oberen Torfschichten, die ihrerseits eine Eutrophierung des Feuchtgebietes fördert (KÖHLER 24). 27

34 Material und Methoden 4 Material und Methoden Im folgenden Abschnitt wird die Vorgehensweise bei der Entnahme der Torfproben beschrieben. Anschließend werden die Methoden zur Ermittlung der CO 2 -Freisetzung und weiterer Torfeigenschaften erläutert. 4.1 Probenahme Die Entnahme der Torfproben aus den einzelnen Untersuchungsgebieten fand an den folgenden Tagen statt: Ober und Unterboden Bieselfließ Niederung (BFOB, BFUB): (UTM: RW: ; HW: ) Teufelsmoor (TFM): (UTM: RW: 4756; HW: 88613) Lietzengraben Niederung (LIETZ): (UTM: RW: ; HW: ) Hundekehlefenn (HKF): (UTM: RW: 38216; HW: ) Abb. 13: Links: Stechzylinderentnahme im Hundekehlefenn. Rechts: Profil in der Bieselfließ Niederung. 28

35 Material und Methoden Im Teufelsmoor, dem Hundekehlefenn und in der Lietzengraben Niederung wurden die Proben in unmittelbarer Nähe zu den dortigen Grundwassermessstellen entnommen. Die Entnahme des Torfes fand nach Entfernung der Vegetationsdecke und der obersten Bodenschicht statt (Abb.13). Die Entnahmetiefe lag bei allen vier Standorten zwischen 2-3 cm unter GOK. In der Bieselfließ Niederung wurden zusätzlich in einer Tiefe von ca. 6 cm Stechzylinderproben entnommen. Die angeschärften Stahl-Zylinder wurden auf die freigelegte Torffläche gesetzt und mit einem Hammer in den Torf geschlagen. Mit einem scharfen Spachtel konnten die Torfe am unteren Ende des Zylinders abgetrennt und aus dem Boden entnommen werden. Die Stechzylinder haben einen Innendurchmesser von 5 cm, sind 5,1 cm hoch und besitzen ein Volumen von 1 cm². Aufgrund der hohen Grundwasserstände im Teufelsmoor gestaltete sich die Probenahme schwierig. Die Proben mussten dort teilweise unter Wasser entnommen werden. 4.2 Messung der CO 2 -Freisetzung (Bodenatmung) Die Messung der CO 2 -Freisetzung der unterschiedlichen Torfproben im Labor stellt einen der zentralen Punkte der Arbeit dar. Es wird daher etwas ausführlicher auf die einzelnen Arbeitschritte, die bei der Ermittlung der Respirationsraten durchgeführt wurden, eingegangen Probenaufbereitung Da der mikrobielle Abbau von Torfen stark von der Umgebungstemperatur und dem Wassergehalt des Torfes abhängt (vgl. Kap. 1.4), ist es wichtig die CO 2 -Freisetzungsrate des Bodens unter definierten Bedingungen zu messen. Im Labor wurden die Stechzylinderproben zuerst in jeweils drei, etwa gleich große Teilproben aufgeteilt. Dies war notwendig, da bei der Mineralisierung des Torfes Sauerstoff verbraucht wird, welcher in dem verwendeten Messbecher (Abb. 16) nur begrenzt zur Verfügung stand. Bei einer großen Torfmenge könnte eine hohe mikrobielle Abbaurate mit der Zeit zu einer Sauerstoffmangelsituation im Messzylinder und somit zu einer ungewollten Hemmung der Mikroorganismen führen. 29

36 Material und Methoden Da die CO 2 -Freisetzung für drei unterschiedliche Feuchtestufen gemessen werden sollte wurden die Proben erst aufgesättigt (pf,5) und anschließend entwässert (Abb. 14). Mit Hilfe einer keramischen Platte mit hängender Wassersäule wurden die Proben auf pf 1,8 und in einem Drucktopf auf pf 2,5 eingestellt. Es wird davon ausgegangen, dass bei der Aufsättigung der Torfe nicht das gesamte Porenvolumen mit Wasser gefüllt wurde, bzw. dass während der Messung der Bodenatmung eine leichte Entwässerung der Poren durch die Schwerkraft erfolgte. Die pf-stufe,5 wurde demnach nicht technisch eingestellt, sondern ist in dieser Arbeit eine theoretische Größe. Die Umgebungstemperatur wurde während der Messung mit Hilfe eines temperierten Wasserbades (Abb. 15) eingestellt bzw. konstant gehalten. Die CO 2 -Freisetzung wurde bei drei unterschiedlichen Temperaturen gemessen (5 C, 15 C und 2 C). Abb. 14: Links: Aufsättigung der Torfproben auf pf,5. Rechts: Vorbereitung getrockneter Torfproben zur Gewichtsbestimmung. 3

37 Material und Methoden Messprinzip Die Inkubationsexperimente zur Bestimmung der CO 2 -Freisetzung wurden mit einer Anlage nach DIN ISO zur Ermittlung der Respiration durchgeführt (Abb. 15). Dabei erfolgte eine quasikontinuierliche Messung der mikrobiellen Bodenatmung in 36 Messkanälen. Abb. 15: Anlage zur coulometrischen Bestimmung der CO 2 -Freisetzungsrate von Torfproben bei konstanter Temperatur. Die verwendete Anlage ermöglicht eine coulometrische CO 2 -Messung der Bodenatmung nach DIN ISO Dabei wird die Bodenprobe in einen Behälter gegeben der Luftdicht verschlossen ist. In diesem Behälter befindet sich ein kleiner Becher mit 15 ml,6 molarer Kaliumhydroxid-Lösung (Abb. 16). Das bei dem mikrobiellen Abbau des Torfes frei werdende CO 2 wird von der Kaliumhydrxid-Lösung (KOH) absorbiert. Dies führt zu einer Änderung der Leitfähigkeit (LF) der KOH-Lösung. Die Leitfähigkeit wird über den gesamten Messzeitraum mittels Platinelektroden alle 3 Minuten erfasst. Als Maß für den CO 2 -Gehalt in der Lösung wird die Leitfähigkeit zum Messzeitpunkt t in das Verhältnis zu der Leitfähigkeit der KOH Lösung zum Zeitpunkt gesetzt. LF Verhältnis zum Zeitpunkt t = LF zum Zeitpunkt t / LF zum Messbeginn Bei bekannter Molarität und Volumen der Lauge lässt sich aus den Leitfähigkeitsverhältnissen der CO 2 Gehalt der KOH-Lösung zu jedem 31