Methoden der Kohlenstoffmessung im Gelände und im Labor

 

1. Einführung zur Gasmessung

Der Kohlenstoffausstoß des Bodens ist einer der größten Kohlenstoffströmungskomponenten in terrestrischen Ökosystemen und wird global auf 50 bis 75 Gt C pro Jahr geschätzt. Dies entspricht etwa 20 bis 40 % des gesamten Kohlenstoffdioxideintrags in die Atmosphäre. Der Kohlenstoffdioxidausstoß des Bodens resultiert aus der Bodenatmung in Form von heterotropher Veratmung durch Mikroorganismen beim Prozess der Verwitterung von organischem Bodenmaterial und der autotrophen Wurzelatmung, aber auch die chemische Oxidation und die Lösung von Carbonaten im Boden spielen eine bedeutende Rolle. Es wird befürchtet, dass eine Erhöhung der globalen Temperaturen diesen Kohlendioxideintrag in die Atmosphäre noch zusätzlich erhöhen wird, da die autotrophe Wurzelatmung durch steigende globale Temperaturen noch zunehmen wird.

Automatische statische Haubenmessmethode in Paulinenaue, Brandenburg

 (Foto: Michael Thelemann 2012)

Der Bodenausstoß von Kohlenstoffdioxid, aber auch von klimarelevanten Spurengasen, wie Lachgas (N2O) und Methan (CH4) ist dabei zeitlich und räumlich sehr variabel und heterogen. Diese große Variabilität führt zu einer Unsicherheit in der Schätzung der durchschnittlich weltweit in einem Jahr durch den Boden ausgeschiedenen Gasmengen.

 

Einflussfaktoren auf die Quantität der aus dem Boden austretenden Gase

 (Quelle: Thelemann 2012)

Um die Prozesse, die dem Austausch von Kohlenstoff zwischen der Pedosphäre und der Atmosphäre zugrunde liegen, besser zu quantifizieren und zu verstehen, werden Gasmessungen nach der sogenannten Haubenmessmethode und der Eddy-Kovarianz-Methode mittels Sensoren zur Messung der Flussgradienten durchgeführt. Der Forschungsschwerpunkt besteht dabei mittlerweile weniger darin flächenspezifische oder anwendungsbezogene Fragestellungen zu beantworten, sondern vor allem die Bodenatmung großflächig und über lange Zeiträume bestimmen zu können.

Die Daten zur großflächigen und langzeitlichen Bodenatmung werden benötigt, um

  • Unsicherheiten in Bezug auf den Kohlenstoffhaushalt auf landschaftlicher, regionaler und globaler Ebene zu reduzieren

  • die räumliche und zeitliche Dynamik der pflanzenphysiologischen Prozesse und der natürlichen Kohlenstoffeinlagerung zu bestimmen

  • ökologische Simulationsmodelle zu parametrisieren und zu validieren

Eine Differenzierung von heterotropher und autotropher Bodenatmung oder anderer Quellen klimarelevanter Gase und die Bestimmung der Quellentiefe des Kohlenstoffdioxidflusses im Boden ist mit beiden Methoden allerdings nicht möglich, da nur die Gesamtmenge der ausgestoßenen Gase bestimmt werden kann. Um Daten bezüglich der Quelltiefe zu erhalten, müssten Profilmessungen beispielsweise mit in unterschiedlichen Tiefen installierten Messröhren und einem Gasanalysator durchgeführt werden.

Zur besseren Interpretation der Messergebnisse sollten einhergehend mit der Gasmessung zudem folgende Daten bestimmt bzw. erfasst werden:

  • Kohlenstoffgehalt der oberen Bodenhorizonte

  • Stickstoffgehalt der oberen Bodenhorizonte

  • Mächtigkeit und Art der Humusauflage

  • Wurzelbiomasse

  • Wurzelverteilung

  • Humusverwitterungsraten

  • Boden- und Lufttemperatur

  • Luftfeuchtigkeit

  • Bodenwassergehalt

  • Bodennährstoffgehalt

  • Einstrahlung auf Bodenhöhe

  • Luftdruck

Trotz der Vielfalt an Bodenatmungsmessapparaturen und -methoden gibt es bereits internationale Normen, Richtlinien und Protokolle, wie beispielsweise die des EUROFLUX-Netzwerks (EU-Projekt zur Langzeiterfassung von Kohlendioxid- und Wasserdampfflüssen Europäischer Wälder und deren Interaktion mit dem Klimasystem) nach denen die Bodenatmung erfasst wird.

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Literatur:

Bradford, J.; Ryan, M. (2008): Quantifying Soil Respiration at Landscape Scales. In: Hoover, C. (2008): Field Measurements for Forrest Carbon Monitoring, Springer Science + Business Media B.V.

Lankreijer, H.; Janssens, I.; Buchmann, N.; Longdoz, B.; Epron, D.; Dore, S. (2003): Measurement of Soil Respiration. In: Valentini, R. (2003): Fluxes of Carbon, Water and Energy of European Forests, Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York. S. 37-54.

Tirone, G.; Dore, S.; Matteucci, G.; Greco, S.; Valentine, R. (2004): Evergreen Mediterranean Forests. Carbon and Water Fluxes, Balances, Ecological and Ecophysiological Determinants. In: Valentini, R. (2003): Fluxes of Carbon, Water and Energy of European Forests, Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York. S. 125- 150.