The role of Phragmites australis in carbon, water and energy fluxes from a fen in southwest Germany

Abstract

The global carbon emission from peat soils adds up to 0.1 Gt-C per year. Under anaerobic conditions, organic material is decomposed to methane (CH4). Over a 100-year cycle, methane is a 28 times stronger greenhouse gas than carbon dioxide and is an important factor for climate change. Therefore, there is a great interest to get a better understanding of the carbon flows in peatlands. Phragmites peatlands are particularly interesting due to the global abundance of this wetland plant (Phragmites australis, common reed) and the highly efficient internal gas transport mechanism. This is a humidity-induced convective flow (HIC) to transport oxygen (O2) to the roots and rhizomes, with the effect that simultaneously soil gases (CH4 and CO2) can be transported to the atmosphere via the plant. Thereby, Phragmites is expected to have a high evapotranspiration (ET) rate due to the large leaf area, open water habitat and high aerodynamic roughness. This ET could highly influence the hydrology of the system. Because he accumulation of organic material occurs because of limiting oxygen levels, hydrological processes are fundamental in the development of peatlands. The research aims were: 1) to clarify the effect of plant-mediated gas transport on CH4 emission, 2) to find out whether Phragmites peatlands are a net source or sink of greenhouse gases, and 3) to evaluate ET in perspective of surface energy partitioning and compare results with FAO’s Penman-Monteith equation. CO2, CH4 and latent and sensible energy fluxes were measured with the eddy covariance (EC) technique within a Phragmites-dominated fen in southwest Germany in 2013, 2014 and 2016. In 2016, a field experiment was set up to quantify the contribution of plant-mediated CH4 transport to the overall CH4 flux and how it influences ebullition. One year of EC flux data (March 2013–February 2014) shows very clear diurnal and seasonal patterns for both CO2 and CH4. The diurnal pattern of CH4 fluxes was only visible when living green reed was present. This diurnal cycle had the highest correlation with global radiation, which suggests a high influence of HIC on CH4 emission. But if the cause were HIC, relative humidity should correlate stronger with CH4 flux. Therefore, we conclude that in addition to HIC at least one other mechanism must have been involved in the creation of the convective flow within the Phragmites plants. We quantified the influence of pressurized flow within Phragmites on total CH4 emission in a field experiment (see chapter 3) and found between 23% and 45% lower total CH4 flux when pressurized flow was excluded (by cutting or cutting and sealing the reed). The gas transport pathways from the soil to the atmosphere changed as well. Relative contribution of ebullition to the total flux increased from 2% in intact Phragmites to 24-37% in cut vegetation. This increase in ebullition in cut vegetation, obviously, did not compensate the excluded pathway via the pressurized air flow at our site. It also means that the effect of CH4 bypassing the oxic water layer by plant transport on CH4 emission is much larger than the effect of O2 transport through the plants on CH4 oxidation and production in the rhizosphere. Overall, the fen was a sink for carbon and greenhouse gases in the measured year, with a total carbon uptake of 221 g C m-2 yr-1 (26% of the total assimilated carbon). The net uptake of greenhouse gases was 52 g CO2 eq.m-2 yr-1, which is obtained from an uptake of CO2 of 894 g CO2 m-2 yr-1 and a release of CH4 of 842 g CO2 eq.m-2 yr-1. Compared to the long term uptake of carbon by northern peatlands (20–50 g C m-2 yr-1) 212 g C yr-1 is therefore very high. One year of measurements is not enough to draw hard conclusions about the climate change impact of this peatland. The measured ET at our site was lower than other Phragmites wetlands in temperate regions. ET was half the amount of precipitation (see chapter 4). Therefore, the risk of the wetland to dry out is not realistic. ET was especially low when there was little plant activity (May and October). Then, the dominant turbulent energy flux was sensible heat not latent heat. This can be explained by the high density of dead reed in these months. the reed heats up causing a high sensible heat flux. Evaporation was low due to the shading of the water layer below the canopy and low wind velocities near the surface. FAO’s Penman-Monteith equation was a good estimator of measured ET with crop factors from the regression model of Zhou and Zhou (2009) (see chapter 4). Especially the day-to-day variation was modeled very well. Their model had air temperature, relative humidity and net radiation as input variables. This is likely related to stomatal resistance, which depends on the same variables. Therefore, the model of Zhou and Zhou (2009) is an interesting tool for calculating daily crop factors and it is probably robust enough to be used also in different regions.

Die globale Aufnahme von Kohlenstoff in Torfböden beträgt bis zu 0,1 Gt-C pro Jahr. Obwohl dieser Speicher einen positiven Beitrag zur Abschwächung des Klimawandels leistet, wird aufgrund anaerober Bedingungen im Boden, organisches Material zu Methan (CH4) abgebaut. Über einen Zeitraum von hundert Jahren ist CH4 ein um das 28-fache stärkere Treibhausgas als Kohlenstoffdioxid und daher besteht Interesse am Verstehen des Kohlenstoffkreislaufes in Mooren. Schilf-bewachsene Moore (Phragmites-Moore) sind dabei von besonderem Interesse, da der Transport von Sauerstoff (O2) zu den Wurzeln und Rhizomen beruht auf Luftfeuchtigkeit-induzierten konvektiven Fluss (HIC), wobei gleichzeitig auch Bodengase (CH4 und CO2) durch die Pflanze in die Atmosphäre transportiert werden können. Dazu kommt, dass aufgrund der großen Blattfläche, des Lebensraums im offenen Wasser und eine hohen aerodynamischen Rauheit, wird daher erwartet, dass Phragmites eine hohe Evapotranspirationrate (ET) aufweist. Diese ET-rate könnte maßgeblich die Hydrologie des Systems beeinflussen, was grundlegend ist für die Entwicklung von Mooren. Die Forschungsziele waren 1) zu verdeutlichen, welche Rolle der Gastransport durch die Pflanzen auf die CH4-Flüsse hat, 2) ob Phragmites-Moore ein Netto-Quelle oder eine Netto-Senke für Treibhausgase sind und 3) die ET im Hinblick auf Sonnenenergie-Aufteilung zu messen. CO2, CH4, sensible und latente Energieflüsse wurden 2013, 2014 und 2016 mit der Eddy-Kovarianz (EK) Methode in einem von Phragmites dominierten Moor im Südwesten Deutschlands gemessen. 2016 wurde ein Experiment durchgeführt, um den Beitrag des CH4-Transports durch die Pflanzen zum gesamten CH4-Fluss zu quantifizieren und dessen Einfluss auf Ebullition (Bildung von Gasblasen) zu ermitteln. Die EK-Daten eines Jahres zeigen sehr deutliche tageszyklische und saisonale Muster sowohl für CO2 als auch für CH4. Die tageszyklischen CH4-Flüsse waren nur zu erkennen, wenn lebendes Schilf anwesend war und korrelierte am meisten mit der Globalstrahlung. Sollte HIC die Hauptursache sein, müsste eine stärkere Korrelation zwischen relativer Luftfeuchtigkeit festzustellen sein. Da dies nicht der Fall ist, schließen wir, dass es noch mindestens einen weiteren Mechanismus gibt, der in der Erzeugung der Konvektionsströmung innerhalb der Phragmites-Pflanzen involviert ist. In einem Feldexperiment ist quantifiziert, welchen Einfluss die Konvektionsströmung innerhalb der Schilf-Pflanzen auf den gesamten CH4-Fluss hat, und fanden einen zwischen 23% und 45% niedrigeren CH4-Fluss, wenn Konvektionsströmung ausgeschlossen werden konnte, indem das Schilfrohr abgeschnitten, bzw. abgeschnitten und versiegelt wurde. Der relative Beitrag der Ebullition zum gesamten Fluss stieg von 2% bei intaktem Schilfrohr auf 24-37% bei geschnittener Vegetation. Es ist deutlich, dass der Anstieg von Ebullition nicht den verhinderten Gastransport durch die Konvektionsströmung kompensieren konnte. Das Experiment zeigte ebenfalls, dass der Transport von CH4 durch Pflanzen, wobei die sauerstoffhaltige Wasserschicht umgangen wird, einen viel größeren Effekt auf die CH4 Emission hat als die Änderung der CH4-Oxidation und -Produktion in der Rhizosphäre durch den O2 Transport durch die Pflanzen. Insgesamt, war das Moor über das erst gemessene Jahr betrachtet eine Senke für Kohlenstoff (221 g C m-2 yr-1) und Treibhausgase (52 g CO2 eq.m-2 yr-1), wobei 894 g CO2 m-2 yr-1 aufgenommen und 842 g CO2-Äq. m-2 yr-1 CH4 abgegeben wurde. Verglichen mit der langfristigen Aufnahme von Kohlenstoff in nördlichen Mooren (20–50 g C m-2 yr-1) ist die Aufnahme von 212 g C yr-1 sehr hoch. Da die Auswertung der Messdaten eines Jahres keine belastbare Schlussfolgerung über den Einfluss dieses Moores auf den Klimawandel zulässt, sollte auch aus den anderen gemessenen Jahren (2014, 2016) die Kohlenstoffbilanz evaluiert werden. Bezüglich der gemessenen ET hat unser Standort eine niedrige ET im Vergleich mit anderen Phragmites Feuchtgebieten im gemäßigten Klima. Besonders in Zeiten geringer Pflanzenaktivität (Mai und Oktober) war die ET sehr gering. Dies kann durch die große Menge an abgestorbenen Schilfrohrpflanzen in diesen Monaten erklärt werden. Während der Entwicklung von Phragmites stieg die Transpiration an und trug maßgeblich zu ET bei. Die Penman-Monteith Gleichung der FAO erwies sich als guter Schätzwert der gemessenen ET, „crop factors“ aus der Literatur verwendet wurden. Eine besonders gute Übereinstimmung ziwschen gemessener und berechneter ET, ergab das Regressionsmodel von Zhou und Zou (2009). Dieses Model verwendet Lufttemperatur, relative Luftfeuchtigkeit und netto Strahlung als Inputvariablen. Wahrscheinlich besteht hier ein Zusammenhang zum stomatären Widerstand. Aus diesem Grund ist das Model von Zhou und Zhou (2009) ein interessantes Werkzeug, um tägliche crop factors zu berechnen. Es ist außerdem robust genug, um in verschiedenen Regionen verwendet zu werden (China im Vergleich zu Deutschland).