Die Messung der THG-Emissionen stellt einen wichtigen Teil des Projektes dar. Die zeitaufwändigen und kostenintensiven Messungen sind notwendig, da bisher noch keine Daten für sowohl CO2 als auch N2O und CH4 für verschiedene Methoden des aktiven Wasssermanagements (Unterflurbewässerung und Grabenanstau) existieren. Daneben sind die Effekte des Grünlandumbruchs bisher noch nicht im Hinblick auf CO2-Emissionen aus organischen Böden untersucht worden. Es ist zu erwarten, dass Ergebnisse aus diesem Projekt auch auf weitere Grünlandstandorte auf Moor in Niedersachsen übertragbar sind.

Daten aus diesem Modul liefern Input für die

  • hydrologische Modellierung (Grundwasserstand, Bodenfeuchte, meteorologische Daten; Modul C),
  • Erstellung von Szenarien für Handlungsoptionen: Abhängigkeitsfunktionen der THG-Emissionen vom Grundwasserstand und von der Mächtigkeit der Kleiauflage (Modul C),
  • integrierte Klimaschutzbewertung (Modul F): Einsparpotenziale durch optimiertes Wassersmanagement und angepasste Grünlanderneuerung.

 

Bestimmung der THG- und Kohlenstoffbilanz

Die Bestimmung der THG- und Kohlenstoffbilanz beruht auf folgendem Ansatz:

Die Ökosystematmung (RECO) setzt sich aus pflanzlicher Atmung und Bodenatmung (v.a. Torfmineralisierung) zusammen und wird u.a. durch die Temperatur, den Grundwasserstand, die Bodenfeuchte und weitere Bodeneigenschaften gesteuert. Die Bruttoprimärproduktion (GPP), d.h. die Photosynthese, hängt u.a. vom Entwicklungsstand der Pflanzen und im Tagesgang vom Sonnenlicht ab. Der Nettoökosystemaustausch (NEE) ergibt sich aus der Summe von Bruttoprimärproduktion und Ökosystematmung (Gleichung 1).

NEE = GPP + RECO                                                                                                  [1]

THG-Flüsse werden üblicherweise atmosphärenbezogen angegeben, d.h. positive Werte des NEE bedeuten eine CO2-Emission und negative Werte eine CO2-Aufnahme.

Neben CO2 treten in Mooren auch teilweise erhebliche Flüsse von Lachgas (N2O) und Methan (CH4) auf, die in die Treibhausgasbilanz einbezogen werden müssen. Um einschätzen zu können, ob eine Moorfläche Quelle oder Senke für Kohlenstoff (C) oder für Treibhausgase (THG) darstellt, wird zwischen der C-Bilanz und der THG-Bilanz unterschieden.

In die Kohlenstoff-Bilanz gehen der Nettoökosystemaustausch (CO2-C), Methan (CH4-C), C-Import durch organische Düngung, Biomasseexport durch Ernte und der Export der gelösten organischen Substanz (DOC) ein. Negative Werte stellen definitionsgemäß eine Aufnahme von Kohlenstoff in das Ökosystem dar, positive Werte einen Verlust.

C-Bilanz [t C ha-1 yr-1] = NEE - C-Import + C-Export + DOC + CH4-C                            [2]

Methan und Lachgas besitzen ein auf 100 Jahre gerechnet 25mal (CH4) bzw. 298mal (N2O) höheres Treibhauspotenzial als CO2 (IPCC, 2007). Daher ergibt sich die Treibhausgasbilanz eines Standorts nach Gleichung 3, wobei C-Importe und C-Exporte in CO2 umgerechnet werden.

THG-Bilanz [t CO2-Äqivalente ha-1 a-1] = NEE - C-Import + C-Export + 25 CH4 + 298 N2O      [3]

 

Messmethodik und Berechnung von Jahresbilanzen

Die Messung und Berechnung der THG-Bilanzen ist sehr zeit- und arbeitsaufwändig. Zur Messung der CO2-Flüsse werden durchschnittlich alle vier Wochen drei Personen sechs Tage vor Ort sein, die 14tägige Messung der CH4 und N2O-Flüsse dauert zusätzlich zwei Tage. Dazu kommen An- und Abreise, die Vor- und Nachbereitung der Kampagnen, Gerätewartung, Datenaufbereitung und -analyse sowie die Modellierung der Jahresbilanzen. Neben den THG-Flüssen müssen auch Steuerparameter wie z.B. Grundwasserstand und Bodenfeuchte gemessen, die entsprechenden Geräte gewartet und die Daten analysiert werden.

Die Haubentechnik ist seit den 1980er Jahren in der Spurengasforschung verankert (Hutchinson & Mosier, 1981). Die Messung des Spurengasaustausches basiert auf der sogenannten statischen Haubenmethode („non steady-state enclosures“). Um eine Vergleichbarkeit der Messungen mit vorhandenen Daten von Moorstandorten zu erreichen, wird in diesem Projekt auf bewährte Methoden und Haubengrößen (78 x 78 x 50 cm) zurückgegriffen (Beetz et al., 2013; Beyer & Höper, 2014; Leiber-Sauheitl et al., 2013). Die Hauben werden von Hand und gasdicht auf fest im Boden verankerte Rahmen aufgesetzt. Die Hauben müssen mit einem Lüfter und einem Temperatursensor ausgestattet sein, um eine gute Durchmischung der Haubeninnenluft zu erreichen und die Abweichung vom Außenklima zu überwachen (Abbildung 7). Transparente Hauben werden darüber hinaus bei Bedarf gekühlt. Für eine ungestörte Messung hochgewachsener Vegetation sind Verlängerungen erforderlich, was aber im geplanten Projekt voraussichtlich nicht der Fall sein wird. Um eine Erschütterung des Torfes und dadurch z.B. die Mobilisierung von Methanblasen zu vermindern, sind Stege notwendig.

Die Flüsse von CH4 und N2O werden mit nicht-transparenten manuellen Hauben in zweiwöchentlichem Rhythmus im Rahmen von Messkampagnen erfasst, bei denen im Abstand von jeweils ca. 15 Minuten vier Luftproben aus den Hauben entnommen werden. Die Konzentrationen von CH4 und N2O in diesen Proben werden im Labor gaschromatographisch gemessen. An gedüngten Standorten sollten zusätzliche Kampagnen nach der Düngung eingeplant werden, um eventuelle düngebedingte Peaks von N2O erfassen zu können.

Zur Ermittlung des Netto-Ökosystemaustauschs (NEE) von CO2 werden alle 4 Wochen ganztägige Intensivmesskampagnen mit abwechselnd transparenten und nicht-transparenten Hauben vorgenommen. Die Messungen erfolgen ab ca. einer Stunde vor Sonnenaufgang bis zum Erreichen des Bodentemperaturmaximums am Nachmittag. Unter Lichtbedingungen (transparente Hauben) wird der Nettoökosystemaustausch direkt gemessen, während mit den nichttransparenten Hauben die Ökosystematmung (RECO) erfasst wird. Die Dauer einer Messung ist abhängig von der zeitlichen Änderung der CO2-Konzentrationen und reicht von 1,5 bis zu 5 Minuten. Die CO2-Flüsse der einzelnen Messungen ergeben sich aus den Konzentrationsänderungen in den Hauben, die direkt im Feld mittels „Infrarot-Gasanalyser“ (IRGA) gemessen werden.

 

Messprogramm

TI-AK wird an insgesamt achtzehn Varianten jeweils über zwei Jahre die Treibhaus- und Kohlenstoffbilanz und deren Steuerparameter mittels Haubenmethode bestimmen. Jede Variante besteht aus drei Messplots, so dass insgesamt 54 Plots ausgestattet und untersucht werden müssen, davon allein 36 Plots im Hammelwarder Moor und 18 Plots im Ipweger Moor. Aufgrund des hohen personellen Aufwands ist es nicht möglich, an sämtlichen im Gesamtprojekt untersuchten Varianten zu messen.

Die Varianten dienen zum einen dazu, das Pumpgebiet 1 mit seinen unterschiedlichen Profilausprägungen hinsichtlich der Variabilität von THG-Emissionen zu beschreiben und die bisher unzureichend beschriebenen Auswirkungen der Kleiüberdeckung zu ermitteln. Hierzu sind 6 Varianten eingeplant, die die unterschiedlichen Bodentypen (Niedermoor ohne bzw. mit Kleiauflage unterschiedlicher Mächtigkeit) sowie die Wasserstände (möglichst nasse im Vergleich zu möglichst trockenen Standorten) untersuchen, um die Eckpunkte des Gebietes abzudecken.

Dazu kommen Exaktversuche sowohl im Niedermoor- als auch im Hochmoorgebiet, mit dem die Maßnahmen Grabeneinstau und Unterflurbewässerung im Vergleich zur Kontrolle (freie Entwässerung bei gleicher Dräntiefe) getestet werden. Zusätzlich werden verschiedene Varianten der Grünlanderneuerung getestet. Die Einrichtung der Messungen in den Feldversuchen erfolgt in enger Absprache mit der LWK (Modul E).

 

Technische Details zum Messprogramm

Abbildung 7: Messtelleneinrichtung mit transparenter Haube und mobiler CO2-Messtechnik

Zur Berechnung der THG- und C-Jahresbilanzen sowie zum Verständnis der Ergebnisse müssen folgende Messungen durchgeführt bzw. Parameter erhoben werden:

  • kontinuierliche Messung der Bodentemperatur mittels Temperatursonden (1x pro Variante)
  • kontinuierliche Messung des Grundwasserflurabstand (1x pro Variante)
  • kontinuierliche Messung der Bodenfeuchte (1x pro Variante in drei Tiefen)
  • Messergebnisse an verschiedenen Moorgrünlandstandorten haben gezeigt, dass der Grundwasserflurabstand nur auf Einzelgebietsebene ein ausreichender Erklärungsparameter für die CO2-Emissionen ist (Tiemeyer et al., 2015). Für ein besseres Verständnis der ablaufenden Prozesse ist die Kenntnis der Bodenfeuchte erforderlich. Dieser Parameter ist gleichzeitig eine wichtige Größe für die durch das LBEG durchgeführte Wasserhaushaltsmodellierung.
  • Photosynthetisch aktive Strahlung (PAR) (kontinuierlich, 1 x pro Standort) zur Modellierung der Bruttoprimärproduktion
  • Lufttemperatur, Luftfeuchte, Windgeschwindigkeit und Niederschlag (kontinuierlich, 1 x pro Standort, bzw. mittels Kippwaage) zur Berechnung der Verdunstung und zum Verständnis meteorologischer Steuerfaktoren
  • Erntetermine, Erntemenge und Kohlenstoffgehalte des geernteten Materials (pro Plot) (LWK, Modul E)
  • Düngetermine, Düngemenge und Kohlenstoffgehalte
  • Bodeneigenschaften (Kohlenstoff- und Stickstoffgehalte, bodenphysikalische Parameter). Die Erhebung der Bodenparameter wird mit dem LBEG und den Anforderungen der modellmäßigen Ableitungen der Grundwasserstände (Modul C) abgestimmt.
  • Gelöster mineralischer Stickstoff (Nmin) in der Bodenlösung (pro Plot, an N2O/ CH4-Messterminen als Steuerfaktor der N2O-Emissionen.
  • Vegetationszusammensetzung. (Erhebung durch Universität Oldenburg, Modul F)

 

Daneben sind folgende technische Details wichtig:

  • an einem Messtag (CO2) können drei Varianten parallel gemessen werden (Entfernung zwischen den Varianten < ca. 100 m)
  • Stege (Abbildung 7) sind notwendig, um erschütterungsbedingte Messartefakte (v.a. Methan) zur verhindern. Die Stege werden mobil sein, so dass eine Ernte der Versuchsparzellen (siehe Abbildung 7, Modul E) nicht behindert wird.
  • in der Nähe der Varianten muss Platz zum Lagern der Messhauben sein
  • gute Absprachen mit Bewirtschaftern (Ernte- und Düngetermine)
    • Messtermine möglichst kurz nach Ernte, Düngung etc.
    • Einbau (und zwischenzeitlicher Abbau, wenn notwendig) von Messtechnik
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