Abbau-Prozesse in Cryoturbierten Arktischen Böden

Soil organic carbon (SOC) stored in the permafrost of the Arctic is one of the largest carbon reservoirs globally and is vulnerable to climate change. Despite its undisputed importance, the amount of arctic SOC remains ambiguous and poorly constrained. A significant proportion of this SOC is stored in the subducted organic matter of Cryosols, suggesting that cryoturbation (i.e., the mixing of soil layers due to freezing and thawing) is one of the most important mechanisms of arctic carbon sequestration. The major objectives of CryoCARB are therefore (i) to advance organic carbon estimates for cryoturbated soils including the carbon stored in the permafrost, (ii) to identify the major SOC stabilization mechanisms, focusing on organic matter quality, microbial community composition and on abiotic factors, and (iii) to assess the vulnerability of arctic carbon stocks in a future climate. CryoCARB is structured in work packages, dealing with carbon storage in cryoturbated soils (WP1), with quality and degradability of SOC (WP2), with microbial processes and community structure (WP3) and with the integrative modelling of SOC dynamics in cryoturbated soils (WP4). These WPs are linked and integrated by a set of joint sampling campaigns in Siberia (three transects), Greenland and Svalbard and by joint experiments that address the sensitivity of SOC to changing environmental conditions in the laboratory and in the field. The work will be supported by the development of a sound theoretical and conceptual framework and by mathematical modelling. CryoCARB represents a multinational collaboration between 8 European countries and Russia, applying an interdisciplinary approach to address critically important issues that link cryoturbated arctic soils to the global carbon cycle. Such a comprehensive undertaking, from molecular microbiology to landscape level carbon inventories and modelling of circum-arctic carbon storage in future climates, is new and has not yet been implemented anywhere for the Arctic.

Bodenmikroorganismen bauen totes organisches Material, zb. Pflanzenreste, ab und bringen damit den darin einst durch die Photosynthese gewonnenen Kohlenstoff zurück in die Atmosphäre. Diese mikrobiellen Abbauprozesse laufen in der Arktis klimabedingt langsamer ab als anderswo, weswegen heute eine beträchtliche Menge an Kohlenstoff als totes organisches Material in arktischen Böden gespeichert ist etwa doppelt so viel als in der Atmosphäre (Arktische Böden: ~1500 Gt C, Atmosphäre: ~750 Gt C als CO2). Der immense Kohlenstoffspeicher in arktischen Böden gibt allerdings auch Grund zu Sorge: Steigende Temperaturen könnten mikrobielle Abbauprozesse im Boden beschleunigen, was zu erhöhten CO2-Emissionen und in Folge zu einer Verstärkung des Klimawandels führen könnte. Ein großer Teil des arktischen Kohlenstoffs befindet sich in sogenannten cryoturbierten Böden, in denen wiederholte Einfrier- und Wiederauftauprozesse zu einer speziellen Verlagerung der oberen, humusreichen Bodenschichten in tiefere Bodenschichten geführt haben. Das führt zu einer zusätzlichen Verlangsamung von mikrobiellen Abbauprozessen in den begrabenen Bodenschichten, dessen Ursachen jedoch bisher kaum erforscht waren. In diesem internationalen Forschungsprojekt, das die Mechanismen der Kohlenstoffspeicherung in cryoturbierten Böden in einer Vielzahl von Untersuchungsflächen quer durch die Eurasische Arktis untersucht hat (www.cryocarb.net), konnten wir zeigen, dass - entgegen gängiger Erwartungen weder niedrigere Temperaturen noch steigende Bodenwassergehalte in tieferen Bodenschichten für die Verlangsamung mikrobieller Abbauprozesse in den begrabenen Oberbodenschichten cryoturbierter Böden verantwortlich ist. Vielmehr dürfte eine Kombination aus Energie- und Nährstofflimitierung der Mikroorganismen, sowie die Besiedelung der vergrabenen Bodenhorizonte mit einer für den Abbau des humusreichen Oberbodens inadequaten Mikroorganismengemeinschaft zu der starken Konservierung geführt haben. Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass vergrabener organischer Kohlenstoff in tieferen Bodenschichten cryoturbierter Böden prinzipiell durch den Klimawandel angegriffen werden kann, allerdings nicht so sehr durch steigende Temperaturen, als durch erhöhte Nährstoffeinträge und durch Änderungen in der Pflanzenzusammensetzung. Tiefer wurzelnde Pflanzen könnten zb. nährstoff- und energiereiche Wurzelausscheidungen, sowie Mikroorganismen die auf den Abbau von humosen Pflanzenmaterial spezialisiert sind, in tiefere Bodenschichten bringen, und damit für einen beschleunigten Abbau des seit langer Zeit im tiefen Boden eingeschlossenen Kohlenstoffs sorgen.