Contrasting Soil-Surface CO2 and CH4 Fluxes across Marsh Types in a Cold- Temperate Wetland: Links with Soil Moisture, Enzyme Activity, and Microbial Communities
Diese Studie zeigt auf, dass in einem kalt-gemäßigten Feuchtgebiet unterschiedliche Marschtypen kontrastierende Bodenoberflächen-CO2- und CH4-Flussmuster aufweisen, die durch Variationen in der Bodenfeuchtigkeit, den Enzymaktivitäten und den mikrobiellen Gemeinschaften angetrieben werden, wobei die Methanemissionen eine stärkere Kopplung an biotische und abiotische Kontrollen zeigen als Kohlendioxid.
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Feuchtgebiete gehören zu den wichtigsten Motoren des Erdklimas, da sie als massive Schwämme fungieren, die Kohlenstoff speichern und gleichzeitig Gase freisetzen, die die Atmosphäre erwärmen. Zwei dieser Gase, Kohlendioxid und Methan, stehen im Zentrum der Geschichte darüber, wie Feuchtgebiete funktionieren. Während Kohlendioxid freigesetzt wird, wann immer Pflanzen und Mikroben organisches Material zersetzen, ist Methan ein völlig anderes Wesen; es bildet sich nur dann, wenn Sauerstoff knapp ist, was eine verborgene, unter Wasser liegende Welt schafft, in der spezifische Mikroben gedeihen. Da diese beiden Gase auf ihre Umgebung auf so unterschiedliche Weise reagieren, vermuteten Wissenschaftler schon lange, dass die winzigen Details einer Feuchtgebietslandschaft – ob sie von Gräsern, Sträuchern oder Bäumen dominiert wird – dazu führen könnten, dass die Gase sich in entgegengesetzte Richtungen bewegen. Das Verständnis dieses empfindlichen Gleichgewichts ist entscheidend, da es bestimmt, ob ein Feuchtgebiet ein Netto-Senke ist, die Kohlenstoff bindet, oder eine Netto-Quelle, die treibhauswärmende Gase in den Himmel pumpt.
In der kalten, abgelegenen Weite des Großen Hinggan-Gebirges in Nordchina setzte ein Forscherteam auf, um diese Ideen innerhalb des Genheyuan National Wetland Park zu testen. Diese Landschaft ist ein Mosaik aus drei verschiedenen Marschtypen, die nebeneinander liegen: offene Grasmarschen, struchreiche Feuchtgebiete und Wälder, in denen Bäume direkt aus dem Wasser wachsen. Die Wissenschaftler wollten wissen, ob diese verschiedenen Habitate unterschiedlich atmen. Über zwei Wachstumsperioden hinweg platzierten sie versiegelte Kammern auf dem Boden in jedem Marschtyp, um die aus dem Boden entweichenden Gase zu messen. Sie gruben auch in den Boden, um zu messen, wie nass er war, welche Nährstoffe er enthielt, welche Enzyme aktiv waren und welche Gemeinschaften von Bakterien und Archaeen dort lebten. Ihr Ziel war es zu sehen, ob die Art der Vegetation über dem Boden den Gasfluss unter der Erde diktierte und ob die beiden Gase, Kohlendioxid und Methan, denselben Regeln folgten oder nach unterschiedlichen Trommlern marschierten.
Die Ergebnisse zeigten ein auffälliges und kontraintuitives Muster. Die Waldmarsch, in der Bäume wie Lärche und Birke hoch aufragten, setzte am meisten Kohlendioxid frei. Das ergibt Sinn, da die reiche Bodenbeschaffenheit und die Wurzelsysteme eines Waldes damit beschäftigt sind, organisches Material abzubauen. Diese Waldmarsch fungierte jedoch gleichzeitig als Schwamm für Methan, indem sie es konsequent aus der Luft aufnahm, anstatt es freizusetzen. Im krassen Gegensatz dazu war die Grasmarsch der geringste Emittent von Kohlendioxid, wurde aber zu einer starken Quelle für Methan, die es in Raten ausstieß, die weit über denen der anderen Habitate lagen. Die Strauchmarsch lag dazwischen und setzte moderate Mengen an Kohlendioxid sowie moderate Mengen an Methan frei. Dies bedeutete, dass sich, während sich die Landschaft von Gras zu Strauch zu Wald verschob, die beiden Gase nicht gemeinsam erhoben oder senkten; stattdelt bewegten sie sich in entgegengesetzte Richtungen, wobei das eine dort seinen Höhepunkt erreichte, wo das andere am niedrigsten war.
Der Schlüssel zu diesem Rätsel lag in der Bodenfeuchtigkeit. Die Gras- und Strauchmarschen waren durchweg feuchter, mit Bodenfeuchtigkeitswerten, die während der gesamten Wachstumsperiode hoch blieben. Diese Sättigung schuf die sauerstoffarmen Bedingungen, die für methanproduzierende Mikroben notwendig sind, um zu gedeihen. Die Waldmarsch war im Vergleich dazu deutlich trockener. Dieses niedrigere Feuchtigkeitsniveau ermöglichte es mehr Sauerstoff, in den Boden zu gelangen, was Mikroben, die Methan fressen, zur Aktivität anregte und den Waldboden in eine Senke verwandelte, die das Gas aus der Luft reinigte. Während die Luft- und Bodentemperaturen in allen drei Habitaten ähnlich waren, war der Unterschied darin, wie feucht der Boden blieb, der stabilste und klarste Faktor, der die Marschtypen voneinander trennte.
Beim tieferen Graben in den Boden stellten die Forscher fest, dass die biologische Maschinerie in jeder Marsch ebenso unverwechselbar war wie die Pflanzen darüber. Die Strauchmarsch war ein Kraftwerk des Nährstoffkreislaufs, das hohe Mengen an Stickstoff und Kohlenstoff hielt, und ihr Boden war übersät mit aktiven Enzymen, die komplexes organisches Material abbauen. Die Waldmarsch, obwohl trockener, enthielt hohe Mengen an gelöstem organischem Kohlenstoff und verfügbarem Phosphor. Am wichtigsten war, dass die mikroskopischen Gemeinschaften, die im Boden lebten, in jedem Habitat unterschiedlich waren. Die Strauchmarsch beherbergte eine vielfältigere Anzahl von Methan-bezogenen Mikroben, einschließlich einer spezifischen Gruppe namens Methanoregula, während die Grasmarsch von einer anderen Gruppe namens Methanobacterium dominiert wurde. Die Waldmarsch mit ihren trockeneren Bedingungen unterstützte eine Gemeinschaftsstruktur, die den Methankonsum gegenüber der Methanproduktion begünstigte.
Die Studie kam zu dem Schluss, dass der Fluss dieser Gase nicht durch einen einzelnen Faktor angetrieben wird, sondern durch ein komplexes Geflecht von Interaktionen. Während die Freisetzung von Kohlendioxid eine direkte Reflexion des Habitattyps selbst zu sein schien – einfach höher im Wald und niedriger im Gras –, war die Geschichte des Methans weitaus komplizierter. Der Methanfluss war eng mit den kombinierten Effekten der Bodenfeuchtigkeit, der Verfügbarkeit von Nährstoffen, der Aktivität der Bodenenzyme und der spezifischen Mischung der vorhandenen Mikroben verknüpft. Die Forscher fanden heraus, dass Methan nicht nur auf die Landschaft reagierte, sondern durch die komplexen biologischen und chemischen Prozesse im Boden geformt wurde. Diese Entdeckung unterstreicht, dass man in kühleren gemäßigten Feuchtgebieten nicht davon ausgehen kann, dass alle Gase auf die gleiche Weise reagieren. Ein Feuchtgebiet kann eine starke Quelle für Methan sein und gleichzeitig eine moderate Quelle für Kohlendioxid sein, oder umgekehrt, abhängig vom subtilen Zusammenspiel von Wasser, Leben und Chemie unter der Oberfläche.
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