Forschung zur kritischen Zone in der polaren Region – Svalbard
JProf.' Dr.' Svenja Riedesel, JProf.' Dr.' Eva Pfannerstill, Prof.' Dr.' Christine Heim
Geographie, Meteorologie, Geologie, Biologie
Motivation
Die Auswirkungen der globalen Erwärmung sind in der Arktis besonders stark zu spüren. Hier hat der schnellere Temperaturanstieg drastische Auswirkungen auf die kritische Zone (CZ) der Erde. Die CZ ist die äußerste Hülle unseres Planeten, in der Gesteine, Böden, Wasser, Luft und Flora und Fauna miteinander interagieren und so wichtige Ökosystemleistungen erbringen und die Erde als bewohnbaren Planeten erhalten. In der Arktis wird die CZ der Erde durch steigende Temperaturen, das Auftauen des Permafrostbodens, Veränderungen des Ökosystems, eine verstärkte Freisetzung von Treibhausgasen und flüchtigen organischen Verbindungen (VOC) sowie eine zunehmende Verwitterung und Bodenerosion beeinträchtigt. Diese Prozesse zeigen bereits heute ihre Auswirkungen und werden sich in Zukunft noch verstärken. Daher halten wir es für unerlässlich, die arktische CZ umfassend zu untersuchen (Boden, Wasser, Mikrobiota, Vegetation, Fauna und Geo-/Biodiversität) sowie ihre Wechselwirkungen mit der Atmosphäre. Wir wollen aktuelle Prozesse quantifizieren und potenzielle zukünftige Entwicklungen der CZ einschließlich ökologischer Anpassungsstrategien antizipieren, indem wir eine interdisziplinäre Pilotstudie auf dem Svalbard-Archipel in der Arktis durchführen.
Svalbard bietet den idealen Standort für diese Pilotstudie. Der Svalbard-Archipel zeichnet sich durch ein arktisches Klima aus, mit geringen klimatischen Schwankungen innerhalb des Archipels (z. B. Wickström et al., 2020). Die arktische Verstärkung hat Spitzbergen erreicht und zu einem Anstieg der Bodentemperatur geführt, was sich auf den Permafrost auswirkt, wobei Spitzbergen den Rekord für den wärmsten Permafrost in der Arktis hält (Hanssen-Bauer et al., 2019). Die spärlich bewachsene Landschaft ist oft mit biologischen Bodenkrusten (BSC, Williams et al., 2017) bedeckt. Diese BSC werden von verschiedenen Organismen (z. B. Cyanobakterien, Flechten, Bryophyten) in den obersten Millimetern des Bodens, einschließlich klastischer Bodenpartikel, gebildet. BSC erhöhen den Nährstoff- und Feuchtigkeitsgehalt im Oberboden (z. B. Agnelli et al., 2021) und leisten damit wichtige Ökosystemleistungen. Darüber hinaus bedecken sie die darunter liegenden Böden, was sich möglicherweise auf die Wechselwirkungen zwischen Boden und Atmosphäre auswirkt und den darunter liegenden Permafrost beeinflusst. Während frühere Arbeiten von B. Becker (Biologie, UzK) und seinem Team wichtige Informationen über BSC auf Svalbard aus biologischer Sicht liefern (z. B. William et al., 2017), wollen wir hier ihre Präsenz und ihren Einfluss ganzheitlicher untersuchen, indem wir Biologie, Geobiologie, Geomorphologie, Bodenkunde, Geochronologie und Atmosphärenwissenschaften miteinander verbinden.
Um eine effiziente Feldkampagne zu ermöglichen, wollen wir die bestehende Infrastruktur der AWI-PEV-Forschungsstation in Ny-Ålesund nutzen. Neben Unterkünften und organisatorischer Infrastruktur beherbergt die Forschungsstation zahlreiche Geräte für die Klima- und Wetterforschung, die von deutschen und französischen Forschern, darunter das Team von AG Crewell (Dr.' K. Ebell, UzK), installiert wurden.
Geplante Arbeitspakete
WP 1: Geobiologie biologischer Bodenkrusten (BSC) auf Svalbard
Gut entwickelte BSC in Polarregionen bieten eine schützende Bodenbedeckung, da Flechten und Bryophyten über enorme Wasserspeicherkapazitäten verfügen und die Wasserabgabe verzögern, was für die dort lebenden Organismen und die darunterliegenden Böden von Vorteil ist (Szymański et al., 2015). Die beschleunigte Klimaerwärmung erfordert nicht nur eine Anpassung der BSC-Organismen, sondern auch die Bewältigung des erhöhten Wasserabflusses aus schmelzenden Gletschern, Regenereignissen und dem auftauenden Permafrostboden, was zu einer Störung der BSC und verstärkten Erosionsprozessen führen kann. Darüber hinaus ist bislang unklar, inwieweit arktische Pionier-/Sukzessionsarten (Gräser, Birken, arktische Weiden) die Bodenerosion durch wurzelinduzierte Bioturbation und Verwitterung verstärken können (Prater et al., 2021). Um die Wechselwirkungen/Zusammenhänge zwischen BSC, potenziellen Sukzessionsarten und dem darunterliegenden Boden zu verstehen und abzuschätzen, ist es unerlässlich, die biotische und abiotische Zusammensetzung (z. B. Biomarker, Sedimentgeochemie und mikrobielle Ökologie) des Bodens und der BSC unter sich erwärmenden Klimabedingungen zu charakterisieren. Diese Daten werden es ermöglichen, Ökosystemveränderungen zu verstehen und zu quantifizieren, und liefern außerdem wichtige Informationen für WP2 und WP3.
WP 2: Zeitliche Entwicklungen von mit Biokrusten bedeckten Böden auf Svalbard
Veränderungen der Oberflächen- und Bodentemperaturen treiben Gefrier- und Auftauprozesse an und beeinflussen somit Bio- und Kryoturbationsprozesse, den Umfang der biotischen Bodenbedeckung sowie Verwitterung und Bodenerosion. Mit Hilfe von Einzelkorn-Lumineszenz-Tracing- und Datierungsmethoden können wir unterirdische Prozesse von siliziklastischem Material in arktischen Böden und Sedimenten quantifizieren, indem wir die in natürlichen Mineralien wie Quarz und Feldspat gespeicherte Energie messen. Unser Ziel ist es, den zeitlichen Ablauf und die Prozesse der BSC und der arktischen Bodenbildung mithilfe von Einzelkorn-Lumineszenzmethoden zu beschränken.
Es wurde bereits zuvor gezeigt, dass die Lumineszenz von Quarz und Feldspäten erfolgreich als Boden- und Sedimenttracer zur Quantifizierung von Prozessen unter der Oberfläche, wie Bio-, Halo- und Kryoturbation, eingesetzt werden kann (z. B. Zinelabedin et al., 2022, van der Meij et al., 2024). Darüber hinaus hat sich gezeigt, dass die Lumineszenzeigenschaften von Quarz und Feldspat in Böden und Sedimenten auf Svalbard für die Datierung von ausreichender Qualität sind (z. B. Alexanderson et al., 2011; Alexanderson und Murray, 2012; Gilbert et al., 2018), was auf vielversprechende Anwendungen von Lumineszenzdatierungs- und Tracerstudien im Rahmen dieses Projekts hindeutet. Lumineszenzbasierte geochronologische Informationen über die BSC-Bildung und Bodenprozesse liefern wichtige Erkenntnisse über die in WP 1 und 3 untersuchten Prozesse.
WP 3: Wechselwirkungen zwischen Biosphäre und Atmosphäre
Das Auftauen des Permafrostbodens in der Arktis hat immense Auswirkungen auf die Atmosphäre. Neben der bekannten Freisetzung der Treibhausgase CO2 und Methan haben aktuelle Forschungsergebnisse gezeigt, dass Mikroben im auftauenden Permafrostboden flüchtige organische Verbindungen freisetzen (z. B. Kramshoj et al. 2018, Jiao et al. 2025). Solche Gase sind reaktive Treiber der Atmosphärenchemie, die zur Bildung von atmosphärischen Partikeln führen können, die die Wolkenbildung und die Rückkopplung mit dem Klima verstärken. Allerdings ist nur sehr wenig über die Menge und Zusammensetzung der flüchtigen Stoffe bekannt, die aus arktischen BSC und Böden unter dem Einfluss des Klimawandels freigesetzt werden, was eine Lücke in den Modellen der Atmosphärenchemie hinterlässt. Die Entnahme von Luftproben in Spitzbergen und von gefrorenen Bodenproben, die im Labor aufgetaut werden sollen, wäre ein vielversprechender Ausgangspunkt, um die Emissionen dieses sich schnell verändernden Ökosystems und ihre Auswirkungen auf die Atmosphäre zu untersuchen. Die Zusammenarbeit mit Teammitgliedern, die sich hier mit BSC und Böden befassen, ist besonders relevant, um unser Verständnis der Treiber der Emissionen zu verbessern.
Referenzen:
- Agnelli, A., Corti, G., Massaccessi, L., Ventura, S., D’Acqui, L.P., 2021. Impact of biological crusts on soil formation in polar ecosystems. Geoderma 401, 115340.
- Alexanderson, H., Landvik, J.Y., Molodkov, A., Murray, A.S., 2011. A multi-method approach to dating middle and late Quaternary high relative sea-level events on NW Svalbard – a case study. Quaternary Geochronology 6, 326-340.
- Alexanderson, H., Murray, A.S., 2012. Luminescence signals from modern sediments in a glaciated bay, NW Svalbard. Quaternary Geochronology 10, 250-256.
- Gilbert, G., O’Neill, H.B., Nemec, W., Thiel, C., Christiansen, H.H., Buylaert, J.P., 2018. Late Quaternary sedimentation and permafrost development in a Svalbard fjord-valley, Norwegian high Arctic. Sedimentology 65, 2531-2558.
- Hanssen-Bauer, I., Førland, E.J., Hisdal, H., Mayer, S., Sandø, A.B., Sorteberg, A., 2019. Climate in Svalbard 2100 – a knowledge base for climate adaptation. NCCS Report 01/2019.
- Jiao, Y., Kramshøj, M., Davie-Martin, C.L. et al. The active layer soils of Greenlandic permafrost areas can function as important sinks for volatile organic compounds. Communications Earth and Environment 6, 32 (2025). https://doi.org/10.1038/s43247-025-02007-8
- Kramshøj, M., Albers, C.N., Holst, T. et al. Biogenic volatile release from permafrost thaw is determined by the soil microbial sink. Nature Communications 9, 3412 (2018). https://doi.org/10.1038/s41467-018-05824-y
- Prater I. , Hrbáček F. , Braun C., Vidal A., Meier L. A., Nývlt D. , et al. How vegetation patches drive soil development and organic matter formation on polar islands. Geoderma Regional 2021 Vol. 27 Pages e00429 (2021). https://doi.org/10.1016/j.geodrs.2021.e00429
- Szymański W, Skiba M, Wojtuń B, Drewnik C (2015) Soil properties, micromorphology, and mineralogy of Cryosols from sorted and unsorted patterned grounds in the Hornsund area, SW Spitsbergen. Geoderma 253–254:1–11. https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2015.03.029
- van der Meij, W.M., Riedesel, S., Reimann, T., 2025. Mixed signals: Interpreting soil mixing patterns of different biota through luminescence and numerical modelling. Soil 11, 51-66. Doi: 10.5194/soil-11-51-2025
- Wickström, S., Jonassen, M. O., Cassano, J. J., & Vihma, T. (2020). Present temperature, precipitation, and rain‐on‐snow climate in Svalbard. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 125, e2019JD032155. https://doi.org/10.1029/2019JD032155
- Williams, L., Borchhardt, N., Colesie, C., Baum, C., Komsic-Buchmann, K., Rippin, M., Becker, B., Karsten, U., Büdel, B., 2017. Biological soil crusts of Arctic Svalbard and of Livingston Island, Antarctica. Polar Biology 40, 399-411.
- Zinelabedin, A., Riedesel, S., Reimann, T., Ritter, B., Dunai, T., 2022. Testing the potential of using coarse-grain feldspars for post-IR IRSL dating of calcium sulphate-wedge growth in the Atacama Desert. Quaternary Geochronology 71, 101341.