Großer Unterschied im Kohlenstoffausstoß

Scientific Reports Band 5, Artikelnummer: 14248 (2015) Diesen Artikel zitieren

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Seen spielen eine wichtige Rolle im globalen Kohlenstoffkreislauf (C), indem sie C in Sedimenten vergraben und CO2 und CH4 in die Atmosphäre abgeben. Die Stärken und die Kontrolle dieser grundlegend unterschiedlichen Pfade sind daher von Interesse bei der Beurteilung des kontinentalen C-Gleichgewichts und seiner Reaktion auf Umweltveränderungen. In dieser Studie, die auf neuen hochauflösenden Schätzungen in Kombination mit Literaturdaten basiert, zeigen wir, dass das jährliche Emissions-Verschüttungs-Verhältnis in borealen Seen im Allgemeinen zehnmal höher ist als in subarktisch-arktischen Seen. Diese Ergebnisse deuten auf große Unterschiede im C-Kreislauf der Seen zwischen den Biomen hin, da Seen in wärmeren nördlichen Regionen mehr C emittieren und relativ weniger C speichern als Seen in kälteren arktischen Regionen. Solche Effekte sind von großer Bedeutung für das Verständnis klimatischer Rückwirkungen auf die kontinentale C-Senken-Quellen-Funktion in hohen Breiten. Wenn die Vorhersagen der globalen Erwärmung und der Nordausdehnung des borealen Bioms richtig sind, ist es wahrscheinlich, dass zunehmende C-Emissionen aus Seen in hohen Breiten der angenommenen zunehmenden terrestrischen C-Senkenkapazität in hohen Breiten teilweise entgegenwirken.

Eine der großen Herausforderungen unserer Zeit besteht darin, die Dynamik von Treibhausgasen zu verstehen, um ihre Auswirkungen auf den Klimawandel zu bewerten1. Um das Klimasystem zu verstehen, ist die Kenntnis der klimatischen Auswirkungen auf den globalen C-Kreislauf erforderlich, einschließlich der Größe und Kontrolle verschiedener Quellen und Senken in gekoppelten Land-Wasser-Atmosphärensystemen. Regionen in hohen Breiten sind für ein zukünftiges Klimaerwärmungsszenario von besonderem Interesse, da sich der Anstieg der Oberflächenlufttemperatur voraussichtlich in Richtung der nördlichen hohen Breiten verstärken wird, wo empfindliche Ökosysteme erhebliche Veränderungen erfahren und starke Rückkopplungseffekte auf das Klimasystem ausüben können2. Es ist jetzt klar, dass aquatische Systeme im C-Kreislauf von großer Bedeutung sind, da sie als große atmosphärische Quellen von CO2 und CH43,4 gelten. Weltweit übersteigen die Seeemissionen den kontinentalen lateralen C-Export und machen etwa 20 % der CO2-Sequestrierung der Ozeane aus3,4,5. Gleichzeitig wurde erkannt, dass Binnengewässer erhebliche Mengen an C in Sedimenten vergraben, wo es sich über geologische Zeiträume ansammelt6,7,8. Die organische C-Bestattung in Binnengewässersedimenten ist dreimal höher als die Bestattung in Meeressedimenten, wodurch Binnengewässersedimente mit den C-Beständen nördlicher Torfmoore, Böden und Biomasse zusammengenommen vergleichbar sind und den zweit- bis drittgrößten C-Speicher in nördlichen Umgebungen bilden6, 7,8. In hohen Breiten bedecken Seen einen erheblichen Teil der Landfläche5,9,10. Beispielsweise umfassen die Breitengrade von 60°–69° N 24 % der globalen Seenfläche9, was die nördlichen Seen zu wichtigen Bestandteilen des globalen C-Kreislaufs macht10.

Trotz ihrer Bedeutung im globalen C-Kreislauf ist das Wissen über die C-Emissionen nördlicher Seen im Verhältnis zu den Verschüttungsraten dürftig. Obwohl bekannt ist, dass boreale Seen im Allgemeinen stärker mit CO2 übersättigt sind als subarktisch-arktische Seen11, haben nur sehr wenige Feldstudien die gleichzeitige Bestattung und den atmosphärischen Austausch in nördlichen Seen für einen Kreuzvergleich zwischen Biomen quantifiziert. Insbesondere das Verständnis des Emissions-Vergrabungs-Gleichgewichts in subarktischen und arktischen Seen stellt einen Schwachpunkt in der Literatur dar (siehe ergänzende Informationen), der klimazonenübergreifende Vergleiche mit z. B. borealen Seen verhindert12. In dieser Studie kombinieren wir neue detaillierte Messungen der jährlichen C-Emissionen sowie der jährlichen C-Einlagerung in sechs subarktisch-arktischen Seen in Nordschweden mit Literaturdaten, um diese Flüsse über Biome hinweg zu vergleichen.

Die gesamten jährlichen C-Emissionen (CO2 + CH4) aus den untersuchten subarktischen Seen lagen zwischen 5 und 54 g C m−2 pro Jahr. Insgesamt wurden die C-Emissionen von CO2 dominiert, das in allen Seen mehr als 90 % der gesamten jährlichen C-Emissionen ausmachte, mit Ausnahme eines Sees, in dem die CO2-Emissionen gering waren und CH4 40 % der jährlichen C-Emissionen ausmachte. Das gelöste CO2 und CH4, das sich im Winter unter dem Eis ansammelte und beim Aufbrechen des Eises freigesetzt wurde, machte zwischen 7 und 80 % der jährlichen Emissionen aus. Die Bestattung von C schwankte zwischen 5 und 25 g C m−2 Jahr-1. Wir konnten in keiner der Sedimentproben nach der Versauerung einen signifikanten Massenverlust feststellen, was auf eine vernachlässigbare Anreicherung von anorganischem C in den Sedimenten unserer beprobten Seen hinweist.

Unsere Originaldaten in Kombination mit den jährlichen C-Emissionsraten und Sedimentbestattungsraten für einzelne Seen aus zuvor veröffentlichten Studien (insgesamt 89 boreale und 10 subarktisch-arktische Seen, siehe Tabelle S4 in den Zusatzinformationen) zeigen deutlich, dass das durchschnittliche Verhältnis von Emission zu Bestattung erheblich war höher (F1,97 = 94,9, P < 0,001) in borealen Seen (34 ± 37; Mittelwert ± Standardabweichung) als in subarktisch-arktischen Seen (2,4 ± 1,7; Mittelwert ± Standardabweichung). In Übereinstimmung mit den Erkenntnissen von Kortelainen et al.12 fanden wir einen schwachen linearen Zusammenhang zwischen C-Emissionen und Verschüttungsraten in borealen Seen (R2 = 0,27, P < 0,001). Darüber hinaus deuten unsere Daten darauf hin, dass eine lineare Beziehung (R2 = 0,62, P = 0,007) auch in subarktisch-arktischen Systemen auftritt, dort ist die Regressionssteigung jedoch weniger steil (F95,96 = 58,3, P < 0,001) im Vergleich zu den borealen Seen aufgrund eines geringen Emissions-Vergrabungs-Verhältnisses (Abb. 1). Durch die Einbeziehung verfügbarer Emissions- und Verschüttungsschätzungen aus einzelnen Seen (Tabelle S2 und S3) in die Analyse zeigt unser Ergebnis, dass boreale Seen deutlich höhere C-Emissionen aufweisen als subarktisch-arktische Seen (F1.143 = 29,7, P < 0,001, Abb . 2a), während die C-Bestattungsraten in allen Biomen vergleichbar sind (Abb. 2b). Obwohl unsere Studie auf Daten basiert, die aus einer begrenzten Anzahl von Seen gesammelt wurden, werden unsere Ergebnisse durch andere Studien gestützt, die ähnliche Unterschiede im CO2-Partialdruck zwischen Biomen fanden11.

Lineare Beziehungen zwischen gepaarten C-Emissionen und Sedimentverlagerung in borealen (offene Kreise) und subarktisch-arktischen (Quadrate) Seen, mit den 95 %-Regressions-Konfidenzintervallen (in roter Schattierung).

Schwarze Quadrate stellen neue Daten dar, die in dieser Studie gesammelt wurden. Graue Quadrate und leere Kreise stellen Daten aus der Literatur dar, die für diese Studie zusammengestellt wurden. Der Einschub zeigt die Unterschiede in den Emissions-Verschüttungs-Verhältnissen für denselben Datensatz (F1,97 = 94,9, ***P < 0,001). Das Kästchen entspricht dem 25. und 75. Perzentil, während die Whiskers das 5. und 95. Perzentil angeben. Das Quadrat entspricht dem arithmetischen Mittel und die horizontale Linie dem Median. Ausreißer sind durch Kreuze gekennzeichnet. Alle Datenquellen sind in den Hintergrundinformationen aufgeführt (Tabelle S4).

Veröffentlichte Daten und Daten aus dieser Studie zeigen (a) abweichende (F1.143 = 29,7, ***P < 0,001) C-Emissionen, aber (b) keinen signifikanten Unterschied in der Sediment-C-Bestattung zwischen borealen und subarktisch-arktischen Seen. Es werden sowohl gepaarte als auch separate Emissions- und Verschüttungsdaten verwendet. Das Kästchen entspricht dem 25. und 75. Perzentil, während die Whiskers das 5. und 95. Perzentil angeben. Das Quadrat entspricht dem arithmetischen Mittel und die horizontale Linie dem Median. Ausreißer sind durch Kreuze gekennzeichnet. Alle Datenquellen sind in den Hintergrundinformationen aufgeführt (Tabelle S2 und S3).

Die konsistenten Unterschiede zwischen borealen und subarktisch-arktischen Seen weisen darauf hin, dass das Verhältnis von C-Emission zu Einlagerung mit den biomspezifischen Seeeigenschaften zusammenhängt. Emission und Verlagerung von C sind eng miteinander verbunden, da eine erhöhte C-Emission einen direkten und gegenläufigen Effekt auf die Sedimentversorgungsrate von C7 haben kann. Ein unterschiedliches durchschnittliches Emissions-Verschüttungs-Verhältnis für Seen aus verschiedenen Regionen, wie in unserer Studie (Abb. 1) zu sehen ist, ist daher nicht überraschend, deutet jedoch darauf hin, dass die Verteilung von C innerhalb von Seen anhand ihres aktuellen Bioms in einem Ausmaß vorhergesagt werden kann, in dem dies nicht der Fall ist bereits zuvor berücksichtigt worden. Unsere Ergebnisse basieren auf einer vergleichenden Studie, aber aktuelle limnologische Erkenntnisse können genutzt werden, um die wahrscheinlichsten Mechanismen hinter den systematischen Unterschieden in den Emissions-Verschüttungs-Verhältnissen zwischen borealen und subarktisch-arktischen Regionen zu entschlüsseln. Die terrestrische Produktivität und der laterale organische C-Export sind in den Borealregionen höher als in den subarktisch-arktischen Regionen13,14,15,16. Die daraus resultierenden, im Allgemeinen stärker gefärbten und an organischem Kohlenstoff reichen Gewässer in borealen Seen im Vergleich zu subarktisch-arktischen Seen sind dafür bekannt, die heterotrophe Atmung terrestrischen organischen Kohlenstoffs zu verstärken und die Fixierung von CO214,17 innerhalb des Sees zu unterdrücken, was zu einer höheren relativen Netto-CO2-Produktion führt und C-Emission in borealen Seen im Vergleich zu subarktisch-arktischen Seen15,16. Die höheren Wassertemperaturen in borealen Seen stimulieren zusätzlich heterotrophe Atmungsraten und damit CO2-Verluste18,19, während der positive Effekt der Erwärmung auf die CO2-Fixierung voraussichtlich schwächer ausfällt, da die Fixierung häufig durch schlechte Lichtverhältnisse oder die Verfügbarkeit von Nährstoffen eingeschränkt wird20,21. Regionale Unterschiede in der Nährstoffverfügbarkeit (z. B. Stickstoff und Phosphor) müssen für die beobachteten Muster von untergeordneter Bedeutung sein, da die allgemein höheren Nährstoffgehalte in borealen Seen die CO2-Fixierung und die Nettoökosystemproduktion stimulieren. Dies würde eher die Netto-CO2-Produktion verringern12,17,21 und die Anreicherung von C in Sedimenten erhöhen, also ein Muster, das dem entgegengesetzt ist, was wir gefunden haben. Daher erscheint eine höhere C-Emission im Vergleich zur Verlagerung in borealen Seen aufgrund des farbigeren und wärmeren Wassers im Vergleich zu subarktisch-arktischen Systemen sinnvoll. Daher kann nicht davon ausgegangen werden, dass das Verhältnis von Emission zu Verlagerung konstant ist, sondern weist deutliche Unterschiede zwischen den Biomen auf, die vermutlich mit klimatisierten Einzugsgebietsmerkmalen wie der Wassertemperatur und dem terrestrischen Export organischer Stoffe zusammenhängen. Auch wenn es eine Herausforderung darstellt, erfordert ein fundiertes mechanistisches Verständnis der Klima- und Einzugsgebietskontrolle der C-Senken-Quellen-Funktion des Seeökosystems langfristige und groß angelegte Experimente22.

Die Ergebnisse dieser Studie sind wichtig für die Beurteilung der Rolle von Seen im kontinentalen C-Haushalt. Das arktische Becken weist derzeit eine negative C-Bilanz von 63 Tg C yr−1 23 auf, und die Hochskalierung unserer Ergebnisse auf die arktische Region zwischen 63° und 90° N (siehe ergänzende Informationen) zeigt, dass derzeit allein Seen atmosphärische Quellen von etwa 30 sind ± 30 Tg C Jahr−1; Daher kann eine Erhöhung des Emissions-Verschüttungs-Verhältnisses die C-Bilanz der gesamten Arktis erheblich verändern. Klimamodelle gehen immer wieder von steigenden Temperaturen24, längeren Vegetationsperioden24 und einer Ausdehnung der Baum- und Strauchbedeckung nach Norden auf panarktischer Skala25,26,27 aus. Eine Ausweitung der derzeit im borealen Biom vorherrschenden klimatischen Bedingungen in die Arktis würde einen erheblichen Teil der derzeitigen subarktisch-arktischen Seen in wärmere und farbigere Seen umwandeln14,15,28. Unsere Daten deuten darauf hin, dass dies zu stark erhöhten C-Emissionen des Sees führen würde, während kein Anstieg der Verschüttungsraten zu erwarten ist. Unter Berücksichtigung der höheren CH4-Emissionen aus borealen Seen und ihres starken Treibhauspotenzials schlagen wir vor, dass diese Effekte der potenziell erhöhten terrestrischen C-Senkenkapazität entgegenwirken, die möglicherweise auf ein wärmeres Klima folgt3,29,30. Gleichzeitig gibt es geringfügige Unterschiede im CO2-Partialdruck zwischen borealen und kalten gemäßigten Seen11, was auf geringfügige Änderungen der Seeemissionen infolge einer südlichen Regression des borealen Bioms hinweist. In Anbetracht der Bedeutung aquatischer Systeme für das kontinentale C-Gleichgewicht in hohen Breiten 5,16,31 offenbaren unsere Ergebnisse somit eine langfristige unvorhergesehene Klimarückkopplung; Unabhängig davon, ob die terrestrische C-Sequestrierung durch das zukünftige Klima begünstigt wird oder nicht, schwächt die direkte und indirekte Reaktion der Seen auf eine Ausdehnung des borealen Bioms die C-Senke im nördlichen Binnenland. Wir kommen daher zu dem Schluss, dass das Verständnis der Senken-Quellen-Funktionen von Seen für die Vorhersage des zukünftigen C-Zyklus in hohen Breiten von größter Bedeutung sein wird.

Die Studie wurde im Jahr 2010 in sechs subarktischen Seen im Stordalen-Einzugsgebiet in Nordschweden (68°N, 19°E) durchgeführt (Abb. S1). Das 15 km2 große Einzugsgebiet umfasst alpines Tundra-Gelände, das von Heiden und Zwergsträuchern (z. B. Empetrum hermaphroditum, Vaccinium sp. und Betula nana) in großen Höhen (770–600 m ü. M.) dominiert wird, und subalpines Gelände in niedrigen Höhen (360–600 m ü. M.). ), bedeckt mit Bergbirkenwäldern (Betula pubescens ssp. Czerepanovii) und Torfmooren (Sphagnum-Moose oder Ericaceae-Sträucher in den Moorteilen und Eriophorium in den Niedermoorteilen). Das Einzugsgebiet liegt in der Zone diskontinuierlichen Permafrosts32 und die Moore enthalten Gebiete mit Palsa33. Die mittlere jährliche Lufttemperatur für den Zeitraum 2000–2009 betrug 0,6 ± 0,4 °C und die kältesten und wärmsten Monate waren Februar (−9,5 ± 3,1 °C) bzw. Juli (12,5 ± 1,2 °C). Die durchschnittliche jährliche Gesamtniederschlagsmenge betrug im gleichen Zeitraum 340 ± 56 mm. Alle klimatologischen Daten wurden an der Abisko Scientific Station in Schweden aufgezeichnet. Allgemeine Informationen zu den Seen finden Sie in Tabelle S1.

Die Bereiche der Seen wurden durch Digitalisieren eines Orthofotos (1 m Pixelauflösung) mit dem Softwarepaket Arc GIS 9.3.1 (ESRI, USA) ermittelt. Das Seevolumen wurde aus Interpolationen integrierter GPS- und Echolot-Tiefenmessungen (m52i, Lowrance, USA) und zufällig aus dem Orthofoto ausgewählten Küstenlinienpunkten bei einem Tiefenwert von 0 m bestimmt. Insgesamt wurden 2733 Punkte für die Interpolationen verwendet, aufgeteilt auf 6 Seen (je nach Seegröße zwischen 115 und 1370 Punkte pro See). Wintertiefe und -volumen wurden durch Subtraktion der die Seen bedeckenden Eisvolumina bestimmt. Die Interpolationen wurden im geostatistischen Analysepaket Arc GIS 9.3.1 unter Verwendung der gewöhnlichen Kriging-Methode durchgeführt. Die maximalen Tiefen wurden durch manuelle Tiefenmessungen bestätigt.

Der CO2-Partialdruck wurde während der eisfreien Saison im Jahr 2010 stündlich von einem Floß aus 0,5 m unter der Oberfläche am tiefsten Teil jedes Sees gemessen. Wir verwendeten Vaisala CARBOCAP Kohlendioxidtransmitter GMT 222 (Vaisala Oyj., Finnland). ) Infrarot-Gasanalysatoren (IRGA), wie von Johnson et al.34 beschrieben. Messungen der CH4-Flüsse wurden mit schwimmenden Kammern durchgeführt35. In jedem See wurden zwei Arten von Kammern verwendet, eine Art, die den gesamten CH4-Fluss (Ebullitions- und Diffusionsflüsse) auffing, und eine mit einem Unterwasserschutz, der die Kammern daran hinderte, CH4-Blasen zu sammeln. Die Messungen wurden in zwei 48-Stunden-Zeiträumen jeden Monat von Juni bis August durchgeführt. Die Kammern (12 bis 22 pro See je nach Seegröße) wurden in Transekten angeordnet, um alle unterschiedlichen Tiefenzonen abzudecken. In jedem untersuchten See wurden zwei Kammern zur Messung der Diffusionsflüsse aufgestellt, davon eine in der tiefsten Zone und die andere in flachem Wasser. Die Temperatur wurde in Zehn-Minuten-Intervallen von HoBo-Temperaturloggern (Onset Computer Cooperation, USA) in allen Seeauslässen während der eisfreien Jahreszeit gemessen. Darüber hinaus wurden in jedem See vor und nach dem Eisaufbruch in allen Seen Wasserproben (für CO2-, CH4-, DIC- und DOC-Analysen) entnommen. Als die Seen mit Eis bedeckt waren, wurden Proben an drei Stellen (tief, mittel und flach) gesammelt und an jeder Stelle 0,5 m unter dem Eis und 0,5 m über der Sedimentoberfläche entnommen (wenn die Gesamttiefe 3 m überstieg). und auf halbem Weg zum Grund (wenn die Gesamttiefe 4,5 m übersteigt) oder es werden nur Proben in zwei Tiefen genommen. Einzelheiten siehe Karlsson et al.36.

Alle CH4- und DIC-Proben wurden im Kopfraum mit einem Gaschromatographen (Clarus 500, Perkin Elmer Inc.) nach Lundin et al.37 analysiert. Der pCO2-Wert der Stichproben des Wassers wurde mit einer Headspace-Gleichgewichtstechnik38 unter Verwendung eines Infrarot-Gasanalysators (EGM 4, PP-systems Inc., USA) gemessen. Der DOC wurde nach Filtration (0,45 μm Sterilfilter, Filtropur S, Sarstedt AG & Co., Deutschland) und Ansäuern (100 μl 20 % HCl auf 50 ml Filtrat) durch katalytische Hochtemperaturoxidation (HTCO) unter Verwendung eines Shimadzu TOC-V CPH analysiert Analysator (Shimadzu Corporation, Japan).

Die Ergebnisse der Vaisala IRGAs wurden gemäß Johnson et al.34 hinsichtlich Temperatur und Druck korrigiert. Anschließend wurden die korrigierten Werte anhand von Standardgasen kalibriert, die für jeden einzelnen IRGA- und Logger-Satz gemessen wurden. Standardgasmessungen wurden sowohl vor als auch nach der Feldsaison durchgeführt (R2 = 0,999). Die Wasserkonzentration von CO2 wurde aus Partialdrücken unter Verwendung des Henry-Gesetzes berechnet, wobei die Temperaturabhängigkeit der Henry-Konstante (Kh), die Temperatur der Lösung und das Volumenverhältnis zwischen Flüssigkeits- und Gasphase bekannt waren39.

Wir schätzten den Impulsdiffusions-CO2-Fluss zwischen Wasseroberfläche und Atmosphäre unter Verwendung des Fickschen Gesetzes und der windabhängigen Kolbengeschwindigkeiten von Cole und Caraco40. Die Windgeschwindigkeit wurde mit einem Ultraschallanemometer (Metek USA-1; METEK GmbH, Deutschland) gemessen (Standort in Abb. S1), der 7,5 m über dem Boden installiert war41.

Die CH4-Flüsse in die Schwimmkammern wurden nach Bastviken et al.35 berechnet. Manchmal überstieg der berechnete Siedefluss den Diffusionsfluss, dh die Kammerkonzentrationen waren höher als die Gleichgewichtskonzentration im Wasser, was zu einer CH4-Aufnahme führte. In diesen Fällen wurden die Flüsse durch lineare Massenbilanzberechnungen geschätzt.

Die CO2-Emissionen in der eisfreien Jahreszeit wurden als Produkt der über die Zeit integrierten Flüsse und Seefläche berechnet. Die CH4-Emissionen wurden als Produkt der über die Zeit integrierten räumlichen Mittelflüsse und Seeflächen berechnet. Die eisfreie Saison der Seen erstreckte sich vom Tag des ersten beobachteten offenen Wassers (21. Mai) bis zu dem Tag, an dem alle Seen mit Eis bedeckt waren (22. Oktober), was eine geschätzte eisfreie Saison von 154 Tagen ergibt. Die Emission von CO2 und CH4 beim Eisaufbruch in den sechs untersuchten Seen wurde als Differenz der CO2- und CH4-Mengen zwischen der Probenahme unter Frühlingseis und der ersten Probenahme im offenen Wasser nach dem Eisaufbruch bestimmt36. Es wurde angenommen, dass nur Seen mit einer maximalen Tiefe von mehr als 1,5 m während der Wintersaison Gase ansammeln, da flachere Seen im Winter fest gefrieren.

Die Sedimentkerne wurden im April 2011 (fünf Seen) und 2013 (ein See) mit einem HTH-Kajak-Schwerkraftbohrer (Pylonex Termokonsult, Schweden) aus dem Seeeis gesammelt42. Insgesamt haben wir zehn Kerne gesammelt, die je nach Seegröße und Morphologie auf die sechs Seen aufgeteilt wurden. Alle Sedimentkerne wurden direkt vor Ort in 1-cm-Scheiben geschnitten, in Polypropylenbehälter (4K 100, Nolato Cerbo AB, Schweden) überführt, dann noch am selben Tag zurück ins Labor transportiert und bei –20 °C gefroren gelagert. Alle Proben wurden vor der Analyse gefriergetrocknet, von Hand gemahlen und homogenisiert.

Der Gehalt an Sediment C wurde mit einem Elementaranalysator Carlo Erba EA 1108 (Stabilisotopenanlage der University of California Davis, Davis, Kalifornien) und für eine Sedimentcharge mit einem TOC-Analysator IL550 (Hach-Lange, GmbH, Deutschland) gemessen. Wir haben den Gehalt an anorganischem C (Karbonaten) in den Sedimenten als Massenverlust nach saurer Begasung bestimmt43.

Die Bestimmung der Chronologie und der Sedimentationsrate der Sedimente erfolgte anhand der 210Pb-Datierung. Diese Technik nutzt die vertikale Verteilung von überschüssigem oder nicht unterstütztem 210Pb (T1/2 = 22,3 Jahre), um genaue und präzise Chronologien der Sedimentablagerungen zu erstellen, die sich in den letzten 100–150 Jahren angesammelt haben44,45. Die Aktivitäten von 210Pb wurden durch Messung der Aktivitäten seines Enkels 210Po bestimmt, von dem angenommen wird, dass es in der Sedimentprobe im säkularen Gleichgewicht mit seinem Mutternuklid steht. 210Po-Analysen wurden gemäß der von Sanchez-Cabeza et al.46 beschriebenen Methodik durchgeführt, die auf der vollständigen Auflösung der aliquoten Proben durch Mikrowellenaufschluss und deren Ablagerung auf Silberscheiben besteht. Als Tracer zur Ertragsbestimmung wurde das Isotop 209Po verwendet. Po-Quellen wurden mit Ortenc (US) ULTRA-AS-Detektoren für ionenimplantierte Silizium-geladene Teilchen (Modell U-020-450-AS) gezählt. Überschüssiges 210Pb wurde ermittelt, indem die 210Pb-Aktivitäten in der Tiefe vom gesamten 210Pb abgezogen wurden.

Die Sedimentvergrabungsraten wurden mithilfe des Modells „Constant Flux – Constant Sedimentation“ (CF:CS)47 bestimmt, das aus den Sedimenttiefen angewendet wurde, in denen die 210Pb-Aktivität mit zunehmender Tiefe (≥2,5 cm Tiefe) monoton abnahm. Insbesondere generiert diese Auswahl Schätzungen der Sedimentationsraten in ältere Sedimente und liefert somit repräsentative Raten für Einträge in Sedimentschichten, in denen die Zersetzung sehr langsam voranschreitet48. Die langfristigen C-Vergrabungsraten wurden berechnet, indem die abgeleiteten Sedimentvergrabungsraten mit der gemessenen C-Konzentration jedes Bohrkerns multipliziert wurden. Nur ein Kern wies geschätzte 210Pb-Bestände über 2,2 kBq m-2 auf, ein Bestand, der bei Torfkernen aus dem Stordalen-Sumpfgebiet49 beobachtet wurde, was darauf hindeutet; i) der Einfluss der Sedimentkonzentration auf die geschätzten Bestattungsraten war gering; ii) Eine Korrektur der Sedimentfokussierung würde die C-Vergrabungsraten für die meisten Bohrkerne erhöhen. Die in der Studie dargestellten C-Vergrabungsraten, die nicht um die Sedimentfokussierung korrigiert wurden, sind daher für die meisten Bohrkerne konservative Schätzungen.

Wir haben Daten aus veröffentlichten und von Experten begutachteten Fachzeitschriften und Regierungsberichten aufgelistet und grafisch dargestellt. Die aufgezeichneten Daten wurden mit der kostenlosen Software Plot Digitizer 2.6.4 (www.plotdigitizer.sourceforge.net) zusammengestellt. Wir haben separate jährliche Emissionsdaten (Tabelle S2) und Sedimentverlagerungsdaten (Tabelle S3), aber auch gepaarte Daten (Tabelle S4) zusammengestellt. Wir definierten die Seen als Boreal oder Subarktisch-Arktis basierend auf der Definition von Callaghan et al.50. Seen an der Grenze zwischen gemäßigten und borealen Klimazonen oder in Gebieten, die stark von landwirtschaftlichen Aktivitäten beeinflusst sind, wurden nicht berücksichtigt. Daher haben wir keine Daten von Seen im Norden der USA (außer Alaska) oder im Süden Skandinaviens ausgewählt. Da darüber hinaus eine erhebliche Sedimentatmung innerhalb des ersten oberen Zentimeters der Sedimente auftritt, könnten die Schätzungen zur Sediment-C-Vergrabung, die nicht entsprechend korrigiert wurden, deutlich überschätzt werden51. Daher haben wir keine C-Bestattungsschätzungen berücksichtigt, die nur auf dem ersten oberen Zentimeter basieren. Wenn mehrere Schätzungen für denselben See vorlagen und die Qualität der Arbeit als gleich angesehen wurde, wurde die neueste Schätzung verwendet.

Die Unterschiede zwischen subarktischen, arktischen und borealen C-Emissions- und Verlagerungsdaten aus der aufgeführten Literatur (Tabelle S2 und S3) wurden durch einfaktorielle ANOVAs getestet. Unterschiede zwischen subarktisch-arktischen und borealen gepaarten Emissions-Verschüttungs-Verhältnissen (neue Daten und frühere Veröffentlichungen, insgesamt 89 boreale und 10 subarktisch-arktische Seen, siehe Tabelle S4) und ihre Abhängigkeit von Seegrößen oder DOC-Konzentrationen wurden von ANCOVA getestet. Wir haben die Regressionssteigungen (Abb. 1) von ANCOVA getestet. Bei Bedarf führten wir logarithmische Transformationen durch, um Normalverteilungen zu erreichen. Alle statistischen Varianztests wurden in der Open-Source-Software RStudio 0.97.316 (RStudio Inc, USA) durchgeführt. Wir haben die aktuellen C-Flüsse in Seen bei 63°–90° N geschätzt, indem wir die gesamten Seeflächen52 mit den durchschnittlichen Emissionswerten für subarktische bis arktische Seen multipliziert haben (Tabelle S2). Sofern nicht anders angegeben, geben wir alle unsere Ergebnisse als arithmetische Mittelwerte ± Standardabweichungen an.

Zitierweise für diesen Artikel: Lundin, EJ et al. Großer Unterschied in der Kohlenstoffemissions-Vergrabungsbilanz zwischen borealen und arktischen Seen. Wissenschaft. Rep. 5, 14248; doi: 10.1038/srep14248 (2015).

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Wir danken M. Becher, E. Geibrink, A. Jonsson, D. Karlsson, T. Logan, P. Rodriguez und T. Westin für ihre Unterstützung vor Ort und im Labor. Darüber hinaus danken wir der Abisko Scientific Research Station (Schweden) für die Bereitstellung klimatologischer Daten und T. Christensen zusammen mit M. Heliasz für die Bereitstellung von Winddaten aus Stordalen. Wir danken außerdem R. Holden und EJ Krab für ihre sprachlichen Kommentare zum Manuskript und S. Sobek für das Feedback zu einer frühen Version des Manuskripts. Diese Studie wurde vom schwedischen Forschungsrat finanziell unterstützt (Nr. 621-385 2008-4390).

Abteilung für Umweltwissenschaften und analytische Chemie (ACES), Universität Stockholm, Stockholm, SE-106 91, Schweden

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EJ Lundin & J. Karlsson

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EJL und JKA entwarfen die Studie und entwickelten die konzeptionelle Idee. Die Gasflussmessungen wurden von EJL geleitet. Die Sedimentkernbohrungen wurden von EJL, SVH und JKl durchgeführt. Die CO2-Flussberechnungen wurden von EJLEJL durchgeführt und DB analysierte die CH4-Flussdaten. JKl und CO datierten die Sedimentkerne. JKl, CO und EJL berechneten die Bestattungsraten. Die statistischen Analysen wurden von EJLEJL durchgeführt, der den größten Teil des Manuskripts verfasste, mit wesentlichen Beiträgen von JKA, JKl und DBSVH, und CO kommentierte das Manuskript.

Die Autoren geben an, dass keine konkurrierenden finanziellen Interessen bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

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Eingegangen: 14. April 2015

Angenommen: 21. August 2015

Veröffentlicht: 15. September 2015

DOI: https://doi.org/10.1038/srep14248

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