Temperature time series and methane emission rates in the Lena Delta area

Frostmusterbedingte Seen sind ein wesentlicher Bestandteil der Polygonalen Tundren. Über ihre Bedeutung für die Methanemissionen dieser Gebiete ist bis heute nichts bekannt. Es gibt nur wenige Untersuchungen über ihre Funktion als natürliche Methanquellen. Genaue Angaben über ihre Verbreitung innerhalb der Polygonalen Tundren existieren nicht. Das Ziel der vorliegenden Arbeit war die Evaluierung der Methanflüsse frostmusterbedingter Seen anhand einer Beispielregion der Polygonalen Tundra (Insel Samoylov) im Gebiet des nordsibirischen Lena-Deltas. Die Geländearbeiten wurden während der durch das AWI Potsdam organisierten Expedition "Lena-Delta - Neusibirische Inseln 2002" vom 23. Juni bis zum 11. September 2002 durchgeführt. Die zentrale Aufgabe der Arbeit war die kontinuierliche Messung der Methanemissionen frostmusterbedingter Seen der Insel Samoylov während der Vegetationsperiode des Jahres 2002 mittels eigens hierfür konstruierter Emissionsmesshauben sowie Analyseverfahren der Gaschromatographie. Untersucht wurde zum einen die pflanzenvermittelte Methanemission durch emerse Vegetation im Flachwasserbereich und zum anderen die Methandiffusion an der Grenze Wasser-Luft sowie die Freisetzung methanhaltiger Gasblasen im tieferen Freiwasserbereich. Für die Evaluierung essentieller biotischer bzw. abiotischer Steuergrößen gewässergebundener Methanemissionen wurden parallel diverse Standortfaktoren untersucht. Für die Untersuchung der räumlichen Verbreitung frostmusterbedingter Seen im Untersuchungsgebiet wurden hochauflösende Satellitendaten ausgewertet. Die Ergebnisse der vorliegenden Untersuchung zeigen, das Flachwasserbereiche mit emerser Vegetation die mit Abstand größten Methanemissionsleistungen innerhalb der frostmusterbedingten Seen aufweisen. An den drei Untersuchungstandorten lagen sie im Mittel bei 58,6 ±12,5 mg CH4 m-2 d-1 (n = 25; PS1), 41,7 ±13,6 mg CH4 m-2 d-1 (n = 25; PS2) bzw. 34,4 ±8,0 mg CH4 m-2 d-1 (n = 24; IS). Es konnte gezeigt werden, dass bis zu 98 % des hier emittierten Methans durch pflanzenvermittelten Methangastransport in die Atmosphäre freigesetzt werden. Eine Methanvermittlungsfunktion konnte für das Süßgras Arctophila fulva sowie für die Seggen Carex aquatilis und C. chordorrhiza nachgewiesen werden. Im Bereich der Freiwasserflächen ohne emerse Vegetation sind die Methanemissionsleistungen meist deutlich geringer und erfolgen ausschließlich über Diffusionsprozesse an der Grenze Wasser-Luft sowie die Freisetzung methanhaltiger Gasblasen. Die Methanemissionen durch freigesetzte Gasblasen zeigen extreme Abweichungen zwischen den drei Standorten. An den Untersuchungsstandorten PS1 und IS lagen sie bei maximal 0,68 bzw. 0,14 mg CH4 m-2 d-1, während am Standort PS2 im Mittel 11,7 ±8,1 mg CH4 m-2 d-1 (n = 25) und maximal 30,24 mg CH4 m-2 d-1 erreicht wurden. Die V Methanemissionen durch Diffusionsprozesse an der Grenze Wasser-Luft sind generell gering und zeigen keine deutlichen Unterschiede zwischen den drei Untersuchungsstandorten. Die Leistungen lagen im Mittel bei 1,9 ± 1,1 mg m-2 d-1 (n = 27; PS1), 3,0 ± 1,6 mg m-2 d-1 (n = 27; PS2) bzw. 2,2 ± 2,0 mg CH4 m-2 d-1 (n = 27). Es konnte gezeigt werden, dass die extremen Unterschiede bei der Freisetzung methanhaltiger Gasblasen erhebliche Auswirkungen auf die Gesamtemissionsleistung der Freiwasserfläche eines Sees haben. So emittierte die Freiwasserfläche des Sees PS2, aufgrund der hohen Methanemissionsleistung via Gasblasen, während des Untersuchungszeitraums von Mitte Juli bis Anfang September mit 700 mg CH4 m-2 etwa die 10fache Methangasmenge in die Atmosphäre als die Seen PS1 oder IS. Durch die vorliegende Arbeit konnte gezeigt werden, dass die Methanemissionen frostmusterbedingter Seen durch ein komplexes Wirkungsgefüge voneinander unabhängiger Größen gesteuert werden. Aus der Untersuchung diverser Standortfaktoren ergibt sich, dass neben den biotischen Faktoren Art und Zusammensetzung methangasvermittelnder Vegetation, die abiotischen Faktoren Temperatur und Luftdruck die wesentlichen Steuergrößen der Methanemissionen frostmusterbedingter Seen sind. Die Temperatur wirkt sich sowohl steuernd auf die Intensität der am Methanfluss beteiligten Stoffwechselprozesse als auch auf die Etablierung von Emissionsmechanismen aus. Änderungen des Drucks wirken sich direkt auf die Freisetzung von Gasblasen aus. Darüber hinaus konnte nachgewiesen werden, dass eine luftdruckinduzierte Gasblasenfreisetzung als Folge eine Steigerung der diffusiven Methanemissionen bewirken kann. Die auf Samoylov erfassten frostmusterbedingten Seen bedecken mit etwa 11,9 % nur einen relativ kleinen Teil des Inselbereichs mit Polygonaler Tundra. 98 % der erfassten frostmusterbedingten Seen besitzen eine Flächengröße von ? 1.000 m2 und bedecken zusammen etwa nur 6,55 % (? 117.000 m?) der Polygonalen Tundra Samoylovs. In Verbindung mit den - im Vergleich zu anderen Untersuchungsergebnissen gewässergebundener Methanemissionen der nördlichen Breiten - relativ geringen Emissionsleistungen leisten sie keinen übergeordnet großen Beitrag für die Methangesamtemissionen der Polygonalen Tundren. Die vorliegende Untersuchung konnte klar zeigen, dass bezüglich der Evaluierung von Methanemissionen Polygonaler Tundren ein Differenzierung zwischen großen Thermokarstseen, welche in der vorliegenden Literatur als sehr starke Methanemittenten beschrieben wurden, und frostmusterbedingten Seen notwendig ist.冻融多边形湖泊（frostmusterbedingte Seen）是多边形苔原（Polygonal Tundren）的重要组成部分。迄今为止，学界对这类湖泊在该区域甲烷排放中的作用仍一无所知，针对其作为天然甲烷源的功能研究寥寥无几，且尚无关于其在多边形苔原内分布范围的精确数据。 本研究的目标是，以位于北西伯利亚勒拿河三角洲的萨莫伊洛夫岛（Insel Samoylov）这一多边形苔原典型区域为研究对象，评估冻融多边形湖泊的甲烷通量。野外作业由波茨坦阿尔弗雷德·魏格纳研究所（AWI Potsdam）组织的2002年“勒拿河三角洲—新西伯利亚群岛”科考队于2002年6月23日至9月11日期间完成。 本研究的核心任务是，于2002年植被生长季期间，采用自主研发的气体采集罩及气相色谱法（Gaschromatographie）分析方法，对萨莫伊洛夫岛上冻融多边形湖泊的甲烷排放进行连续监测。研究内容涵盖两方面：一是浅水区挺水植物（emerse Vegetation）介导的甲烷排放，二是水-气界面的甲烷扩散以及开阔深水区含甲烷气体气泡的释放。同时，为评估与水体甲烷排放相关的关键生物及非生物控制因子，本研究同步对多项环境因子进行了测定。为探究研究区内冻融多边形湖泊的空间分布特征，本研究还对高分辨率卫星影像数据进行了解译分析。 本研究结果显示，分布有挺水植物的浅水区是冻融多边形湖泊甲烷排放的主要贡献区域。在三个研究样点中，其平均甲烷排放通量分别为58.6 ±12.5 mg CH₄ m⁻² d⁻¹（n=25；PS1）、41.7 ±13.6 mg CH₄ m⁻² d⁻¹（n=25；PS2）以及34.4 ±8.0 mg CH₄ m⁻² d⁻¹（n=24；IS）。研究证实，该区域排放的甲烷中最高可达98%通过植物介导的甲烷气体传输途径释放至大气中。研究还验证了甜茅属植物*Arctophila fulva*以及莎草属植物*Carex aquatilis*和*C. chordorrhiza*具备甲烷传输功能。 在无挺水植物的开阔水区，甲烷排放通量普遍显著更低，且仅通过水-气界面扩散以及含甲烷气泡释放两种途径完成。含甲烷气泡释放的甲烷通量在三个样点间存在极端差异：PS1和IS样点的最大通量分别为0.68 mg CH₄ m⁻² d⁻¹和0.14 mg CH₄ m⁻² d⁻¹，而PS2样点的平均通量达11.7 ±8.1 mg CH₄ m⁻² d⁻¹（n=25），最高通量可达30.24 mg CH₄ m⁻² d⁻¹。 水-气界面的扩散型甲烷排放通量普遍较低，且在三个样点间无显著差异，其平均通量分别为1.9 ±1.1 mg m⁻² d⁻¹（n=27；PS1）、3.0 ±1.6 mg m⁻² d⁻¹（n=27；PS2）以及2.2 ±2.0 mg CH₄ m⁻² d⁻¹（n=27）。研究表明，含甲烷气泡释放的极端差异会对湖泊开阔水区的总甲烷排放通量产生显著影响。例如，PS2样点所在湖泊的开阔水区，由于气泡释放途径的高甲烷排放通量，在7月中旬至9月初的研究期内，向大气排放的甲烷总量达700 mg CH₄ m⁻²，约为PS1或IS样点所在湖泊的10倍。 本研究证实，冻融多边形湖泊的甲烷排放由一系列相互独立的因子共同调控，形成复杂的作用网络。通过对多项环境因子的分析可知，除介导甲烷传输的植物种类及群落组成等生物因子外，温度与气压这两个非生物因子也是冻融多边形湖泊甲烷排放的关键控制因子。温度既会调控参与甲烷通量代谢过程的强度，也会影响排放机制的建立。气压变化会直接影响气体气泡的释放。此外，研究还发现，气压诱导的气泡释放可间接提升扩散型甲烷排放通量。 在萨莫伊洛夫岛，冻融多边形湖泊的总面积占该岛多边形苔原区域的比例约为11.9%，属于相对较小的一部分。其中98%的冻融多边形湖泊面积不超过1000 m²，其总面积仅约占萨莫伊洛夫岛多边形苔原的6.55%（约117000 m²）。结合本次研究测得的、相较于其他高纬度水体甲烷排放研究结果而言相对较低的排放通量，这类湖泊对多边形苔原的总甲烷排放并无显著贡献。 本研究明确指出，在评估多边形苔原的甲烷排放时，有必要对被现有文献描述为强甲烷排放源的大型热融喀斯特湖（Thermokarstsee）与冻融多边形湖泊进行区分。