Zugl.: Hohenheim, Universiẗat, Diss.

Diss. Nr. 8701 Naturwiss. ETH Zürich. / Enth.: Englische Zusammenfassung. Literaturverz. S. 100-105.

Techn. University, Diss., 2005--München.

Northern peatlands store large amounts of soil organic carbon that are extremely vulnerable to climate change. Direct environmental changes as temperature increase and water table drawdown might not only release more C as CO2 into the atmosphere, but will likely result in increasing vascular plants at the expense of Sphagnum mosses as well. Therefore, the question arises how different plant functional types (shrubs and sedges) with distinctly different functional strategies compared to Sphagnum mosses control C allocation in peatlands and what this means for peat decomposition. Therefore, the key objective of this thesis was to study the patterns of belowground C input by shrubs and sedges and how their above- to belowground C allocation might impact the decomposition of the present moss-dominated peat at different temperatures. To this aim, we applied a plant removal experiment on hummocks with mixed sedge-shrub vegetation in two moss-dominated peatlands located in the Italian Alps at different altitude, i.e. different temperatures. Subsequent measurements of soil respiration, dissolved organic carbon concentration and stable isotope composition (δ13C) of dissolved organic carbon in pore water were used as proxies to estimate the root derived C input by different plant functional type. With in situ 13C pulse-labelling, we assessed the above-to belowground C allocation by quantifying 13C in plant leaves and soil respiration and by measuring δ13C in dissolved organic carbon and in different depths of the peat. In additional peat cores taken under adjacent shrub and sedge plants, we used elemental analysis of carbon, nitrogen, their stable isotopes and analytical pyrolysis gas chromatography mass spectrometry to assess effects of vascular plants (sedge, shrub) on chemical properties and decomposition of the moss-dominated peat. The results provide a mechanistic evidence that plant functional types differ profoundly in their above- to belowground C allocation in peatlands. With shrubs, recently assimilated photosynthates are more likely to be allocated aboveground and turned over belowground than with sedges. Moreover, shrubs showed a fast and tightly coupled processes chain of C assimilation, subsequent C translocation to roots and finally C turnover to CO2, possibly supported by their mutualistic association to mycorrhizal fungi. Though sedges had a higher root-derived C input per unit of biomass than shrubs, the belowground C turnover of recently assimilated C was lower. At the same time, sedges allocated more C belowground to roots than shrubs. For sedges, belowground C turnover processes occurred decoupled from aboveground biomass. The temperature difference between sites did neither increase aboveground C allocation significantly nor belowground C allocation and turnover. However, a higher vascular plant biomass increased the root-derived C input, particularly with shrubs at higher temperatures. Multiple parameters also revealed a higher degree of decomposition of moss-dominated peat collected under sedges than under shrubs, particularly at the high temperature site. Temperature effects on peat decomposition were less pronounced than those of sedges. Eventually, it was not the higher belowground C turnover triggered by shrubs that accelerated decomposition of the present moss-dominated peat but likely the belowground C allocation to the roots by sedges. It can be concluded that the contribution of root exudates to belowground C allocation plays no decisive role in peat decomposition. Yet, the contribution of belowground biomass, particularly of sedges, but also litter of shrubs may impact decomposition processes in a changing climate. Hence, it can be expected that in northern peatlands with increasing shrub biomass, ancient C stores will not be mobilized, while with increasing sedge biomass, C stores are likely at risk.:Thesis at a glance 2 1 Introduction 5 1.1 Northern peatlands and climate change . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.2 Vegetation and its impact on carbon cycling in northern peatlands in a warmer climate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 1.3 In situ approaches to study plant functional type effects on peat decomposition in response to climate change . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 1.4 Objectives, hypotheses and experimental approach . . . . . . . . . . . . . . . 14 2 Study I 21 2.1 Abstract . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 2.2 Keywords . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 2.3 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 2.4 Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 2.5 Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 2.6 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 2.7 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 2.8 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 2.9 Appendix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 3 Study II 47 3.1 Abstract . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 3.2 Keywords . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 3.3 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 3.4 Materials and Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 3.5 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 3.6 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 3.7 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 3.8 Appendix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 4 Study III 75 4.1 Abstract . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 4.2 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 4.3 Material and methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 4.4 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 4.5 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 4.6 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 4.7 Appendix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 5 Synthesis 97 5.1 Regulations of root-derived carbon input and above- to belowground carbon allocation by vascular plants in peatlands . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 5.2 The effect of different above- to belowground carbon allocation patterns of vascular plants on Sphagnum-derived peat decomposition at different temperatures103 6 Conclusions 105 6.1 Implications of belowground carbon allocation by vascular plants for peat decomposition in a warmer climate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 6.2 Towards a dynamic understanding of the impact of roots on peatland carbon cycling in a warmer climate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 7 Acknowledgements 109 References 111 List of publications and license agreements 139 Curriculum Vitae 149 / Moore der nördlichen Hemisphäre speichern große Mengen an organischem Kohlenstoff im Boden, der durch den Klimawandel extrem gefährdet ist. Direkte Umweltveränderungen wie ein Temperaturanstieg und die Absenkung des Grundwasserspiegels könnten nicht nur mehr Kohlenstoff als CO2 in die Atmosphäre freisetzen, sondern werden wahrscheinlich auch zu einer Zunahme von Gefäßpflanzen auf Kosten von Torfmoosen führen. Daher stellt sich die Frage, wie verschiedene funktionellen Pflanzengruppen (Sträucher und Seggen) mit deutlich unterschiedlichen funktionellen Strategien im Vergleich zu Torfmoosen die Kohlenstoff-Allokation in Mooren steuern und was dies für den Torfabbau bedeutet. Daher war das Hauptziel dieser Arbeit, die Muster des unterirdischen Kohlenstoff-Eintrags durch Sträucher und Seggen zu untersuchen und festzustellen, wie sich ihre ober- und unterirdische Kohlenstoff-Allokation auf die Zersetzung des moosdominierten Torfs bei unterschiedlichen Temperaturen auswirken könnte. Zu diesem Zweck haben wir ein Pflanzenentfernungs-Experiment auf Bulken mit gemischter Seggen- und Strauchvegetation in zwei moosdominierten Hochmooren in den italienischen Alpen auf unterschiedlichen Höhenlagen, d. h. bei unterschiedlichen Temperaturen, durchgeführt. Anschließende Messungen der Bodenatmung, der Konzentration des gelösten organischen Kohlenstoffs und der stabilen Isotopenzusammensetzung (δ13C) des gelösten organischen Kohlenstoffs im Porenwasser dienten als Indikatoren für den von den Wurzeln stammenden Kohlenstoff-Eintrag der verschiedenen funktionellen Pflanzengruppen. Mit Hilfe der In-situ-13C-Pulsmarkierung wurde die ober- und unterirdische Kohlenstoff-Allokation durch die Quantifizierung von 13C in den Pflanzenblättern und in der Bodenatmung sowie durch die Messung von δ13C im gelösten organischen Kohlenstoff und im Torf aus verschiedenen Tiefen festgestellt. In zusätzlichen Torfkernen, die unter benachbarten Strauch- und Seggenpflanzen entnommen wurden, haben wir Elementaranalyse von Kohlenstoff, Stickstoff und deren stabile Isotope sowie die analytische Pyrolyse-Gaschromatographie-Massenspektrometrie verwendet, um die Auswirkungen von Gefäßpflanzen (Seggen, Sträucher) auf die chemischen Eigenschaften und den Abbau des moosdominierten Torfs zu bewerten. Die Ergebnisse liefern einen mechanistischen Beweis dafür, dass sich funktionelle Pflanzengruppen in ihrer ober- und unterirdischen Kohlenstoff-Allokation in Mooren stark unterscheiden. Bei Sträuchern wird kürzlich assimilierter Kohlenstoff eher oberirdisch allokiert und unterirdisch umgesetzt als bei Seggen. Darüber hinaus wiesen Sträucher eine schnelle und eng gekoppelte Prozesskette aus Kohlenstoff-Assimilation, anschließender Kohlenstoff-Translokation in die Wurzeln und schließlich Kohlenstoff-Umsatz zu CO2 auf, was möglicherweise durch ihre mutualistische Beziehung zu Mykorrhiza Pilzen unterstützt wird. Obwohl Seggen gegenüber Sträuchern einen höheren Kohlenstoff-Eintrag aus den Wurzeln pro Biomasseeinheit hatten, war der unterirdische Kohlenstoff-Umsatz von kürzlich assimiliertem C geringer. Gleichzeitig bauten Seggen unterirdisch mehr Kohlenstoff in die Wurzeln ein als Sträucher. Bei Seggen fand der unterirdische Kohlenstoff-Umsatz entkoppelt von der oberirdischen Biomasse statt. Der Temperaturunterschied hatte weder Einfluss auf die oberirdische Kohlenstoff-Allokation noch auf die unterirdische Kohlenstoff-Verlagerung und -Umsatz. Ein höherer Anteil an Gefäßpflanzen, insbesondere an Sträuchern, erhöhte jedoch den aus den Wurzeln stammenden Kohlenstoffeintrag, insbesondere bei höheren Temperaturen. Mehrere Parameter zeigten einen höheren Abbaugrad des moosdominierten Torfs unter Seggen gegenüber Sträuchern an, insbesondere am Standort mit hohen Temperaturen. Die Auswirkungen des Temperaturanstiegs auf den Torfabbau waren weniger ausgeprägt als die Auswirkungen durch Seggen. Schlussendlich war es nicht der durch Sträucher ausgelöste höhere unterirdische Kohlenstoff-Umsatz, der die Zersetzung des vorhandenen moosdominierten Torfs beschleunigte, sondern wahrscheinlich die unterirdische Kohlenstoff-Allokation zu den Wurzeln der Seggen. Daraus lässt sich schließen, dass der Beitrag der Wurzelexsudate zur unterirdischen Kohlenstoff-Allokation bei der Torfzersetzung keine entscheidende Rolle spielt. Der Eintrag der unterirdischen Biomasse, insbesondere der Seggen, aber auch der Streu von Sträuchern, kann jedoch die Abbauprozesse in einem sich ändernden Klima beeinflussen. Daher ist zu erwarten, dass in Moore der nördlichen Hemisphäre mit zunehmender Strauchbiomasse alte Kohlenstoff-Speicher nicht mobilisiert werden, während mit zunehmender Seggenbiomasse die Kohlenstoff-Speicher wahrscheinlich gefährdet sind.:Thesis at a glance 2 1 Introduction 5 1.1 Northern peatlands and climate change . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.2 Vegetation and its impact on carbon cycling in northern peatlands in a warmer climate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 1.3 In situ approaches to study plant functional type effects on peat decomposition in response to climate change . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 1.4 Objectives, hypotheses and experimental approach . . . . . . . . . . . . . . . 14 2 Study I 21 2.1 Abstract . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 2.2 Keywords . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 2.3 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 2.4 Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 2.5 Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 2.6 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 2.7 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 2.8 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 2.9 Appendix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 3 Study II 47 3.1 Abstract . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 3.2 Keywords . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 3.3 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 3.4 Materials and Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 3.5 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 3.6 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 3.7 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 3.8 Appendix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 4 Study III 75 4.1 Abstract . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 4.2 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 4.3 Material and methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 4.4 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 4.5 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 4.6 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 4.7 Appendix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 5 Synthesis 97 5.1 Regulations of root-derived carbon input and above- to belowground carbon allocation by vascular plants in peatlands . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 5.2 The effect of different above- to belowground carbon allocation patterns of vascular plants on Sphagnum-derived peat decomposition at different temperatures103 6 Conclusions 105 6.1 Implications of belowground carbon allocation by vascular plants for peat decomposition in a warmer climate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 6.2 Towards a dynamic understanding of the impact of roots on peatland carbon cycling in a warmer climate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 7 Acknowledgements 109 References 111 List of publications and license agreements 139 Curriculum Vitae 149

Die Hochmoore des Erzgebirges sind auf Grund ihrer jahrhunderte langen Nutzung und der ökosystemaren Wandelprozesse der vergangenen 10 - 15 Jahre unterschiedlich stark degradiert. Gleichzeitig sind sie durch den Austrag vergleichsweise hoher Austräge von DOC (Dissoloved Organic Carbon) gekennzeichnet. Um den Zusammenhang zwischen dem Zustand der Hochmoore, als Ergebnis in erster Linie der unterschiedlich nutzungsbedingten Degradation und den Stoffausträgen speziell den DOC-Austrägen zu erfassen, wurden mittels landschaftsökologischer Methoden Hochmoortestflächen verschiedener Zustände vergleichend untersucht. Die Ergebnisse lieferten erste Hinweise, dass in Flächen mit natürlicher Regeneration oder anthropogener Wiedervernässung vergleichsweise hohe DOC-Konzentrationen und – Austräge zu beobachten waren. Demgegenüber standen stärker degradierte Flächen mit zum Teil aktueller forstlicher Nutzung (geräumte Entwässerungsgräben), die durch geringere DOC-Konzentrationen und – Austräge charakterisiert waren. Da die gefundenen Zusammenhänge nicht endgültig belegt werden konnten, besteht insbesondere Forschungsbedarf hinsichtlich landschaftshaushaltlicher Untersuchungen unterschiedlich degradierter Hochmoore im Erzgebirge. / Natural peat bogs are known as a sinks especially for carbon because of theire special matter and water balance. The use of peat bogs requiers their drainage, but consequently the peat will decompose unreversible and peatlands turn to a source esspecially for carbon. The peat bogs in the “Erzgebirge Mountains” were used over several centuries. Thats why the peatlands existing nowadays have different states dependent on the duratian of their use. Beside the use peatlands were mostly negativly effected by processes of ecological change in the “Erzgebirge Maountains” in the last 10 to 15 years. As one result of ecological change the increased output of DOC (Dissolved Organic Carbon) into surface waters can be seen. The main source for DOC are peatlands. By the way it seems to exist a connection between the output of DOC and other dissolved substances and the state of the peatlands especially of their ditches. To research this hypothesis four test areas of different state were chosen. Their state and the output of DOC and other dissolved substances were investigated with methods from landscape ecology from 2001-2003. It was the first time, that peatlands in the “Erzgebirge Mountains” were investigated in such a way. The badest state had the test area where the ditches were cleaned in 2000/ 2001 (“Weiße Mulde”, Western “Erzgebirge Mountains”). This test area showed the lowest but constant DOC-concentrations and DOC-output during the investigation period. The test areas “Carlsfeld” and “Löffelsbach” (Western “Erzgebirge Mountains”) had the best state. The state of “Carlsfeld” is related to the narueal closed ditches, which cause the processes of self regeneration. Due to such processes the DOCconcentrations were distinctly higher but very variable in dependence on weather and runoff. The same was supposed to DOC-output. The same valuation got the test area “Löffelsbach”, because of rewetting by technical closed ditches in 2001. During the investigation period the highest DOC-concentrations of all test areas were measured there. Similar to “Carlsfeld” DOC-concentrations and –output were highly variable in dependence on weather and runoff. The state of the test area “Salzflüßchen” (Eastern “Erzgebirge Mountains”) is also related to processes of self regeneration but was valuated bader than “Carlsfeld”, because the effect of former drainage was stronger in this area. In 2005 the rewetting of the test area is planed by “Naturpark Erzgebirge/ Vogtland”. In the consequence the DOC-concentrations and –output will increase similar to “Löffelsbach”. The results of the investigations indicate that a connection exists between state of peatlands and output of dissolved substances esspecially DOC. The results are supported by national and international literature. It will be clear, that more research is necessary especially on the field of comparative investigations of peatlands with different states in the “Erzgebirge Mountains”.

Im Fokus der Untersuchungen steht das hydrologische Einzugsgebiet der oberen Wilzsch im Westerzgebirge. Veränderte Stoffausträge des bewaldeten und zum Teil vermoorten hydrologischen Einzugsgebietes führen zu erhöhten Stoffkonzentrationen im Hauptzufluss der Trinkwassertalsperre Weiterswiese (Carlsfeld). Seitens der Trinkwasseraufbereitung stellen insbesondere die gestiegenen Gehalte an gelösten organischen Kohlenstoffen (DOC) Mehraufwendungen dar. Im Zuge der Wiedervernässung der Moorflächen kommt es zu relevanten bodenchemischen Veränderungen, die im Abfluss messbar sind. Eine räumliche Betrachtung der Teileinzugsgebiete des hydrologischen Einzugsgebietes der oberen Wilzsch ermöglicht, das Abflussgebiet in verschiedene Herkunftsräume zu gliedern. Dieser raumbezogene Ansatz leistet einen wesentlichen Beitrag in der Herkunftsanalytik von Wässern, deren Fließwege durch Standorte unterschiedlicher Nutzung geprägt sind. Die Arbeit bedient sich hydrochemischen Analysen sowie multitraceranalytischen Verfahren. Die Analyse der stabilen Umweltisotope ²H und 18O am Wasser, 13C am DIC und DOC, 34S und 18O am Sulfat sowie 15N und 18O am Nitrat hilft bei der Identifizierung von Stoffquellen und Transformationsprozessen. Die Arbeit verfolgt das Ziel, den Beitrag der verschiedenen Stoffsysteme am gesamten Stoffaustrag des Vorfluters aufzuzeigen sowie die atmosphärische Grundlast an den Messstandorten nachzuweisen. Dazu wurden von Mai 2009 bis August 2010 fünf Beprobungskampagnen angelegt. Das Messdesign erstreckte sich auf 19 Standorte in ausgewählten Teileinzugsgebieten, die maßgeblichen Einfluss auf die Vorflut haben. Parallel dazu erfolgte die Untersuchung des Niederschlags an der Station Talsperre Weiterswiese. Erfasst wurden die Inhalte von Wässern verschiedener Moorgebiete, Moorwasserpegel unterschiedlich degradierter Moorbereiche, Gräben und Bodendrainagen im Fichtenforst, der Vorfluter Wilzsch und Kranizsch und des Grundwassers im Fichtenforst. Es kann festgehalten werden, dass je nach Lage bzw. Entfernung der Ursprungsgebiete der Anteil des DOC - Exports unterschiedlich stark ist. So sind die DOC - Austräge saisonal sehr verschieden. Im Ergebnis ist der hydrochemische Beitrag - im Besonderen DOC - der unterschiedlichen Stoffsysteme des hydrologischen Einzugsgebietes letztlich am finalen Pegel der Wilzsch messbar. Die vom Basisabfluss gesteuerten silikatischen Standorte im Fichtenforst leisten einen wesentlichen Anteil zum hydrochemischen Milieu der Vorfluter. Die im Untersuchungsgebiet eingeleiteten Renaturierungsmaßnahmen beeinflussen die Trinkwasserqualität in der Talsperre Carlsfeld nicht. Eine Abgrenzung der atmosphärischen Grundlast ist ebenfalls möglich, atmogen eingetragene Stoffe können an den Standorten ausgewiesen werden.

Im Fokus der Untersuchungen steht das hydrologische Einzugsgebiet der oberen Wilzsch im Westerzgebirge. Veränderte Stoffausträge des bewaldeten und zum Teil vermoorten hydrologischen Einzugsgebietes führen zu erhöhten Stoffkonzentrationen im Hauptzufluss der Trinkwassertalsperre Weiterswiese (Carlsfeld). Seitens der Trinkwasseraufbereitung stellen insbesondere die gestiegenen Gehalte an gelösten organischen Kohlenstoffen (DOC) Mehraufwendungen dar. Im Zuge der Wiedervernässung der Moorflächen kommt es zu relevanten bodenchemischen Veränderungen, die im Abfluss messbar sind. Eine räumliche Betrachtung der Teileinzugsgebiete des hydrologischen Einzugsgebietes der oberen Wilzsch ermöglicht, das Abflussgebiet in verschiedene Herkunftsräume zu gliedern. Dieser raumbezogene Ansatz leistet einen wesentlichen Beitrag in der Herkunftsanalytik von Wässern, deren Fließwege durch Standorte unterschiedlicher Nutzung geprägt sind. Die Arbeit bedient sich hydrochemischen Analysen sowie multitraceranalytischen Verfahren. Die Analyse der stabilen Umweltisotope ²H und 18O am Wasser, 13C am DIC und DOC, 34S und 18O am Sulfat sowie 15N und 18O am Nitrat hilft bei der Identifizierung von Stoffquellen und Transformationsprozessen. Die Arbeit verfolgt das Ziel, den Beitrag der verschiedenen Stoffsysteme am gesamten Stoffaustrag des Vorfluters aufzuzeigen sowie die atmosphärische Grundlast an den Messstandorten nachzuweisen. Dazu wurden von Mai 2009 bis August 2010 fünf Beprobungskampagnen angelegt. Das Messdesign erstreckte sich auf 19 Standorte in ausgewählten Teileinzugsgebieten, die maßgeblichen Einfluss auf die Vorflut haben. Parallel dazu erfolgte die Untersuchung des Niederschlags an der Station Talsperre Weiterswiese. Erfasst wurden die Inhalte von Wässern verschiedener Moorgebiete, Moorwasserpegel unterschiedlich degradierter Moorbereiche, Gräben und Bodendrainagen im Fichtenforst, der Vorfluter Wilzsch und Kranizsch und des Grundwassers im Fichtenforst. Es kann festgehalten werden, dass je nach Lage bzw. Entfernung der Ursprungsgebiete der Anteil des DOC - Exports unterschiedlich stark ist. So sind die DOC - Austräge saisonal sehr verschieden. Im Ergebnis ist der hydrochemische Beitrag - im Besonderen DOC - der unterschiedlichen Stoffsysteme des hydrologischen Einzugsgebietes letztlich am finalen Pegel der Wilzsch messbar. Die vom Basisabfluss gesteuerten silikatischen Standorte im Fichtenforst leisten einen wesentlichen Anteil zum hydrochemischen Milieu der Vorfluter. Die im Untersuchungsgebiet eingeleiteten Renaturierungsmaßnahmen beeinflussen die Trinkwasserqualität in der Talsperre Carlsfeld nicht. Eine Abgrenzung der atmosphärischen Grundlast ist ebenfalls möglich, atmogen eingetragene Stoffe können an den Standorten ausgewiesen werden.

Die Hochmoore des Erzgebirges sind auf Grund ihrer jahrhunderte langen Nutzung und der ökosystemaren Wandelprozesse der vergangenen 10 - 15 Jahre unterschiedlich stark degradiert. Gleichzeitig sind sie durch den Austrag vergleichsweise hoher Austräge von DOC (Dissoloved Organic Carbon) gekennzeichnet. Um den Zusammenhang zwischen dem Zustand der Hochmoore, als Ergebnis in erster Linie der unterschiedlich nutzungsbedingten Degradation und den Stoffausträgen speziell den DOC-Austrägen zu erfassen, wurden mittels landschaftsökologischer Methoden Hochmoortestflächen verschiedener Zustände vergleichend untersucht. Die Ergebnisse lieferten erste Hinweise, dass in Flächen mit natürlicher Regeneration oder anthropogener Wiedervernässung vergleichsweise hohe DOC-Konzentrationen und – Austräge zu beobachten waren. Demgegenüber standen stärker degradierte Flächen mit zum Teil aktueller forstlicher Nutzung (geräumte Entwässerungsgräben), die durch geringere DOC-Konzentrationen und – Austräge charakterisiert waren. Da die gefundenen Zusammenhänge nicht endgültig belegt werden konnten, besteht insbesondere Forschungsbedarf hinsichtlich landschaftshaushaltlicher Untersuchungen unterschiedlich degradierter Hochmoore im Erzgebirge. / Natural peat bogs are known as a sinks especially for carbon because of theire special matter and water balance. The use of peat bogs requiers their drainage, but consequently the peat will decompose unreversible and peatlands turn to a source esspecially for carbon. The peat bogs in the “Erzgebirge Mountains” were used over several centuries. Thats why the peatlands existing nowadays have different states dependent on the duratian of their use. Beside the use peatlands were mostly negativly effected by processes of ecological change in the “Erzgebirge Maountains” in the last 10 to 15 years. As one result of ecological change the increased output of DOC (Dissolved Organic Carbon) into surface waters can be seen. The main source for DOC are peatlands. By the way it seems to exist a connection between the output of DOC and other dissolved substances and the state of the peatlands especially of their ditches. To research this hypothesis four test areas of different state were chosen. Their state and the output of DOC and other dissolved substances were investigated with methods from landscape ecology from 2001-2003. It was the first time, that peatlands in the “Erzgebirge Mountains” were investigated in such a way. The badest state had the test area where the ditches were cleaned in 2000/ 2001 (“Weiße Mulde”, Western “Erzgebirge Mountains”). This test area showed the lowest but constant DOC-concentrations and DOC-output during the investigation period. The test areas “Carlsfeld” and “Löffelsbach” (Western “Erzgebirge Mountains”) had the best state. The state of “Carlsfeld” is related to the narueal closed ditches, which cause the processes of self regeneration. Due to such processes the DOCconcentrations were distinctly higher but very variable in dependence on weather and runoff. The same was supposed to DOC-output. The same valuation got the test area “Löffelsbach”, because of rewetting by technical closed ditches in 2001. During the investigation period the highest DOC-concentrations of all test areas were measured there. Similar to “Carlsfeld” DOC-concentrations and –output were highly variable in dependence on weather and runoff. The state of the test area “Salzflüßchen” (Eastern “Erzgebirge Mountains”) is also related to processes of self regeneration but was valuated bader than “Carlsfeld”, because the effect of former drainage was stronger in this area. In 2005 the rewetting of the test area is planed by “Naturpark Erzgebirge/ Vogtland”. In the consequence the DOC-concentrations and –output will increase similar to “Löffelsbach”. The results of the investigations indicate that a connection exists between state of peatlands and output of dissolved substances esspecially DOC. The results are supported by national and international literature. It will be clear, that more research is necessary especially on the field of comparative investigations of peatlands with different states in the “Erzgebirge Mountains”.

In der Umwelt vorkommende Radionuklide wurden als Tracer für Migrationsverhalten verwendet. Low-level-γ-Spektrometrie und zusätzliche Plutoniumanalysen ermöglichten den Nachweis sehr geringer Konzentrationen radioaktiver Nuklide. Der atmosphärische Eintrag wurde über Regenwasser- und Staubfilterproben gemessen. Untersuchungen an Filterstäuben ermöglichten eine nachträgliche Charakterisierung der Eintragssituation vor und nach dem Tschernobyl-Unfall im Freiberger Raum. Die Radionuklidtiefenverteilungen in Fichtenwald- und Hochmoorböden und deren weiterführende Analyse erlaubten Aussagen zum Stofftransport und zu bodenbildenden Prozessen. Die Migrationsdynamik in weitgehend ungestörten Hochmooren unterscheidet sich von der anthropogen überprägter Moore. Die Eignung verschiedener Radionuklide zur Datierung bzw. zeitlichen Markierung von Moorbodenschichten und damit zur Verwendung in der Moorstratigraphie wurde geprüft. Eine gute Übereinstimmung der Ergebnisse verschiedener Datierungs- und Markierungsmethoden zeigte sich v. a. für die Profile der ungestörten, rezent wachsenden ombrogenen Hochmoore.

In der Umwelt vorkommende Radionuklide wurden als Tracer für Migrationsverhalten verwendet. Low-level-γ-Spektrometrie und zusätzliche Plutoniumanalysen ermöglichten den Nachweis sehr geringer Konzentrationen radioaktiver Nuklide. Der atmosphärische Eintrag wurde über Regenwasser- und Staubfilterproben gemessen. Untersuchungen an Filterstäuben ermöglichten eine nachträgliche Charakterisierung der Eintragssituation vor und nach dem Tschernobyl-Unfall im Freiberger Raum. Die Radionuklidtiefenverteilungen in Fichtenwald- und Hochmoorböden und deren weiterführende Analyse erlaubten Aussagen zum Stofftransport und zu bodenbildenden Prozessen. Die Migrationsdynamik in weitgehend ungestörten Hochmooren unterscheidet sich von der anthropogen überprägter Moore. Die Eignung verschiedener Radionuklide zur Datierung bzw. zeitlichen Markierung von Moorbodenschichten und damit zur Verwendung in der Moorstratigraphie wurde geprüft. Eine gute Übereinstimmung der Ergebnisse verschiedener Datierungs- und Markierungsmethoden zeigte sich v. a. für die Profile der ungestörten, rezent wachsenden ombrogenen Hochmoore.