Böden sind Quelle und Senke für klimarelevante Spurengase (CO2, CH4 und N2O). Die freigesetzten Mengen sind mit denen aus Verbrennung fossiler Rohstoffe vergleichbar und können diese übersteigen, sodass Böden das Klima beeinflussen. Die wichtigsten Einflussgrößen der Bodenentgasung sind Vegetation, Bodenbearbeitung, Bodenfeuchte und Bodentemperatur. In dieser Arbeit wurden CO2-Flüsse für Acker-, Grünland- und Waldböden in Sachsen ganzjährig erfasst und eine Regionalisierung für die Landesfläche durchgeführt. Die Methodik umfasste flächendeckende Kurzeitfeldmessungen, punktuelle Langzeitfeldmessungen sowie gezielte Laborversuche. Zur Realisierung wurden robuste, transportable und präzise Kammersysteme zur manuellen und automatisierten Messung der Bodenentgasung im Freiland und Labor entwickelt. Für die Berechnung der Ökosystematmung aus den Messwerten konnte eine empirische Formel erstellt werden. Aus den Analyseergebnissen wurde raumzeitlich strukturiertes Kartenmaterial für die Ökosystematmung im Freistaat Sachsen in den verschiedenen Ökosystemen erstellt.:1 Einleitung 2 Aktueller Wissensstand 2.1 Bedeutung der Thematik 2.2 Treibhausgasemissionen 2.3 Entstehung von Treibhausgasen im Boden 2.4 Einflussgrößen auf die Bodenentgasung 2.5 Messmethoden 2.6 Methodenvergleich 3 Entwicklung von Probenahmesystemen 3.1 Manuelles System 3.2 Automatisierte Systeme 3.3 Berechnungsmethode 4 Versuchsdurchführung 4.1 Auswahl der Messstandorte 4.2 Untersuchungsgebiet 4.3 Meteorologische Daten 4.4 Experimentalarbeiten 4.5 Hochrechnung der Punktmessungen auf die Fläche 4.6 Fehlerbetrachtung 5 Ergebnisse und Diskussion 5.1 Labormessungen in der Klimakammer 5.2 Freilandmessungen – landwirtschaftliche Flächen 2012 5.3 Dauermessung mit SEACH-FG in Hilbersdorf 5.4 Pilotmessungen auf teilversiegelten Flächen und Stadtböden 5.5 Empirische Formel zur Ermittlung der Ökosystematmung 5.6 Hochrechnung der Bodenentgasung für Sachsen 5.7 Ökosystematmung der Bodengroßlandschaften 5.8 Ökosystematmung verschiedener Höhenlagen 6 Entwurf eines Monitoringkonzepts für Sachsen 7 Ausblick 8 Zusammenfassung

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L'augmentation de la décomposition de la matière organique des cryosols arctiques sous l'effet du réchauffement et de la dégradation du pergélisol contribuerait à une rétroaction positive sur les changements climatiques. Nous étudions le fonctionnement biogéochimique de deux Cryosols: un cryosol histique (H) et un cryosol turbique (T), en conditions naturelles et réchauffés. Les profils ont été instrumentés à Salluit (Nunavik, Canada) et les mesures ont été faites pendant les étés 2010 et 2011. Le réchauffement augmente la respiration de l'écosystème (ER) de manière plus intense pour H que pour T, bien que ER pour H soit plus faible. La sensibilité thermique de ER (Q10) est supérieure pour T que pour H et diminue avec le réchauffement. L'étude montre que les cycles journaliers de ER en fonction de la temperature forment des hystérésis. La variance de ER est mieux expliquée en utilisant la température minimale de la journée et la profondeur du front de dégel pour H. Pour T, l'ajout de la vitesse du vent et la radiation solaire améliore l'explication de la variance de ER. Nous montrons trois dynamiques spécifiques aux écosystèmes nordiques: 1) ER dépendant des propriétés du sol et de la solution du sol ; 2) rôle de variables thermo-indépendantes sur ER et 3) variations journalières du Q10 et interannuelles de la respiration basale. La décomposition de la matière organique est la principale source de CO2 pour H alors que les processus végétaux contrôlent ER pour T. Nos résultats contribuent à la compréhension et à l'extrapolation des mesures ponctuelles dans les écosystèmes de toundra, améliorant ainsi la modélisation du cycle du carbone dans les cryosols. / Increased organic mater decomposition rate in Arctic Cryosols due to warming and to permafrost thawing can lead to the release of greenhouse gases, thus potentially creating a positive feedback on climate change. We studied the biogeochemical functioning of two different permafrost-affected soils (i.e. Cryosols): a Histic Cryosol (H) and a Turbic Cryosol (T), both in natural conditions and under an experimental warming. Profiles were instrumented in Salluit (Nunavik, Canada) and monitored during summers 2010 and 2011. The induced warming increased CO2 fluxes in both soils; this impact was however more striking at H even if ER was lower than at T. Temperature sensitivity of ER (Q10) was higher at T than at H and decreased both with warming. We highlighted that diurnal ER cycles as a function of temperature showed hysteretic loops. Linear models performed to explain ER variance were improved adding daily minimum temperature and thaw front depth at H. In contrast at T, adding wind speed and solar radiation in models improved the ER variance explanation. We showed three specific CO2 flux dynamics related to northern ecosystems: 1) the large difference of ER depending on soil properties and soil solution composition; 2) environmental variables strongly alter CO2 fluxes and 3) the diurnal Q10 variations and the inter annual variability of basal respiration. Our results support the assumption that organic matter decomposition might be the major source of CO2 at H while plant-derived processes dominated ER at T. Our results contribute to understand and extrapolate the numerous punctual measurements of CO2 fluxes from tundra ecosystems improving carbon cycle modeling in Cryosols.

Les zones côtières ne sont prises en compte dans les budgets globaux de CO2 atmosphérique que depuis peu. Il s’avère que bien qu’elles ne représentent globalement que de faibles superficies, les flux de carbone et de nutriments y sont très significatifs à l’échelle globale. On sait peu de chose sur le comportement des écosystèmes lagunaires vis-à-vis du CO2 et, encore moins des zones intertidales où les échanges avec l’atmosphère ont lieu alternativement avec l’eau et le sédiment. Les objectifs de cette étude ont été d’une part, d’établir le bilan de carbone échangé entre la lagune d’Arcachon, l’atmosphère et le milieu terrestre, et d’autre part de mettre en relation ces flux avec la production nette de l’écosystème (NEP) afin de mieux caractériser le statut métabolique de celle-ci ainsi que les facteurs environnementaux clés. Pour cela, nous avons mis en place pour la première fois et à différentes saisons et stations, des mesures directes de flux de CO2 par Eddy Corrélation, une méthode fonctionnant en continu pendant l’immersion et l’émersion. En parallèle, les apports de carbone terrestre sous ses différentes formes ont été quantifiés par un suivi annuel sur 9 rivières alimentant la lagune. L’export total de carbone par le bassin versant à travers les eaux de surface des rivières est estimé à 116 t C km-2 an-1 dont 39% est exporté à la lagune sous forme organique dissoute (DOC) du fait de la prédominance de podzols dans le bassin versant. La forte minéralisation de la matière organique terrestre dans les sols et eaux souterraines sursature largement les eaux en CO2 et l’export sous forme de carbone inorganique dissoute (DIC) représente environ 21%. La formulation d’un modèle mathématique, le « StreamCO2-DEGAS », basé sur les mesures de pCO2, de concentrations et de compositions isotopiques en DIC a permis de montrer que 43% de l’export total de carbone était dégazé sous forme de CO2 depuis les rivières vers l’atmosphère, réduisant alors le flux net entrant dans la lagune à 66 t C km-2 an-1. Concernant la mesure de flux verticaux, l’analyse cospectrale ainsi que les résultats obtenus en adéquation avec les contrôles physiques et biologiques aux différentes échelles tidale, diurne et saisonnières, ont permis de valider la méthode de l’Eddy Covariance en zone intertidale. Sur l’ensemble de la période de mesures, les flux de CO2 étaient faibles, variant entre -13 et 19 µmol m-2 s-1. Des puits de CO2 atmosphérique à marée basse le jour ont été systématiquement observés. Au contraire, pendant l’immersion et à marée basse la nuit, des flux positifs ou négatifs ou proche de zéro ont été observés suivant la saison et la station étudiées. L’analyse concomitante des flux de CO2 et des images satellites du platier à marée basse le jour a clairement permis de discriminer l’importance relative des deux cycles métaboliques distincts des principaux producteurs primaires avec (1) les herbiers de Zostera noltii à cycle annuel long, dominant la NEP en été et en automne à la station la plus centrale et (2) les communautés microphytobenthiques, dominant la production primaire brute (PPB) au printemps à la même station et en automne au fond du bassin. Un recyclage rapide de cette production durant l’immersion et l’émersion a aussi clairement été mis évidence. Au vue des différents résultats, la technique d’Eddy Covariance utilisée en zone intertidale laisse envisager d’intéressantes perspectives en termes de connaissances sur les budgets de carbone et les processus écologiques et biogéochimiques dans la zone côtière. / The coastal zone is only taken into account since recently in global carbon budgeting efforts. Although covering globally modest surface areas, carbon and nutrient fluxes in the coastal zone appear significant at the global scale. However, little is known about the CO2 behaviour in lagoons and even less in intertidal zones where exchanges with the atmosphere occur alternatively with the water and the sediment. The purposes of this work are, on one hand, to establish the carbon budget between the Arcachon lagoon, the atmosphere and the terrestrial watershed and on the other hand, to link these fluxes with the net ecosystem production (NEP) and better characterize its metabolic status along with the relevant environmental factors. For the first time, CO2 flux measurements by Eddy Correlation have been carried out at different seasons and stations in the tidal flat. In parallel, the total terrestrial carbon export from river waters has been quantified throughout a complete hydrological cycle in nine watercourses flowing into the lagoon. The total carbon export from the watershed through surface river waters is estimated at 116 t C km-2 yr-1 on which 39% is exported to the lagoon as dissolved organic carbon (DOC) owing to the predominance of podzols in the watershed. Intense organic matter mineralization in soils and groundwaters largely over-saturate river waters in CO2 on which export accounts for 21% as dissolved inorganic carbon (DIC). The mathematical “StreamCO2-DEGAS” model formulation based on water pCO2, DIC concentrations and isotopic composition measurements permits to show that 43% of the total carbon export was degassed as CO2 from the riverine surface waters to the atmosphere, lowering then this latter to 66 t C km-2 yr-1. With respect to the CO2 flux measurements in the lagoon, cospectral analysis and the well accordance of results with physical and biological controls at the tidal, diurnal and seasonal time scales permit to validate the Eddy Correlation technique over tidal coastal zone. CO2 fluxes with the atmosphere, during each period, were generally weak and ranged between -13 and 19 µmol m-2 s-1. Low tide and daytime conditions were always characterized by an uptake of atmospheric CO2. In contrast, during the immersion and during low tide at night, CO2 fluxes where either positive or negative, or close to zero, depending on the season and the site. The concomitant analysis of CO2 fluxes with satellite images of the lagoon at low tide during the day clearly discriminate the relative importance of the two distinct metabolic carbon cycling involving the main primary producers, i.e. (1) the Zostera noltii seagrass meadow predominance on the NEP in autumn and summer in the more central station, with an annual cycling and (2) the microphytobenthos community predominance on the gross primary production (GPP) in spring at the same station and in autumn in the inner part of the bay where a rapid carbon cycling during the immersion and the emersion was clearly highlighted. The different results obtained with the Eddy Correlation technique over tidal flats opens interesting perspectives on the knowledge of the carbon budget and the biogeochemical and ecological processes within the coastal zone.