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Effect of mass wasting on soil organic carbon storage and coastal erosion in permafrost environments

Einfluss von Hangbewegungen auf Kohlenstoffspeicher und Küstenerosion in Permafrostgebieten

  • Accelerated permafrost thaw under the warming Arctic climate can have a significant impact on Arctic landscapes. Areas underlain by permafrost store high amounts of soil organic carbon (SOC). Permafrost disturbances may contribute to increased release of carbon dioxide and methane to the atmosphere. Coastal erosion, amplified through a decrease in Arctic sea-ice extent, may also mobilise SOC from permafrost. Large expanses of permafrost affected land are characterised by intense mass-wasting processes such as solifluction, active-layer detachments and retrogressive thaw slumping. Our aim is to assess the influence of mass wasting on SOC storage and coastal erosion. We studied SOC storage on Herschel Island by analysing active-layer and permafrost samples, and compared non-disturbed sites to those characterised by mass wasting. Mass-wasting sites showed decreased SOC storage and material compaction, whereas sites characterised by material accumulation showed increased storage. The SOC storage on Herschel Island is also significantlyAccelerated permafrost thaw under the warming Arctic climate can have a significant impact on Arctic landscapes. Areas underlain by permafrost store high amounts of soil organic carbon (SOC). Permafrost disturbances may contribute to increased release of carbon dioxide and methane to the atmosphere. Coastal erosion, amplified through a decrease in Arctic sea-ice extent, may also mobilise SOC from permafrost. Large expanses of permafrost affected land are characterised by intense mass-wasting processes such as solifluction, active-layer detachments and retrogressive thaw slumping. Our aim is to assess the influence of mass wasting on SOC storage and coastal erosion. We studied SOC storage on Herschel Island by analysing active-layer and permafrost samples, and compared non-disturbed sites to those characterised by mass wasting. Mass-wasting sites showed decreased SOC storage and material compaction, whereas sites characterised by material accumulation showed increased storage. The SOC storage on Herschel Island is also significantly correlated to catenary position and other slope characteristics. We estimated SOC storage on Herschel Island to be 34.8 kg C m-2. This is comparable to similar environments in northwest Canada and Alaska. Coastal erosion was analysed using high resolution digital elevation models (DEMs). Two LIDAR scanning of the Yukon Coast were done in 2012 and 2013. Two DEMs with 1 m horizontal resolution were generated and used to analyse elevation changes along the coast. The results indicate considerable spatial variability in short-term coastline erosion and progradation. The high variability was related to the presence of mass-wasting processes. Erosion and deposition extremes were recorded where the retrogressive thaw slump (RTS) activity was most pronounced. Released sediment can be transported by longshore drift and affects not only the coastal processes in situ but also along adjacent coasts. We also calculated volumetric coastal erosion for Herschel Island by comparing a stereo-photogrammetrically derived DEM from 2004 with LIDAR DEMs. We compared this volumetric erosion to planimetric erosion, which was based on coastlines digitised from satellite imagery. We found a complex relationship between planimetric and volumetric coastal erosion, which we attribute to frequent occurrence of mass-wasting processes along the coasts. Our results suggest that volumetric erosion corresponds better with environmental forcing and is more suitable for the estimation of organic carbon fluxes than planimetric erosion. Mass wasting can decrease SOC storage by several mechanisms. Increased aeration following disturbance may increase microbial activity, which accelerates organic matter decomposition. New hydrological conditions that follow the mass wasting event can cause leaching of freshly exposed material. Organic rich material can also be directly removed into the sea or into a lake. On the other hand the accumulation of mobilised material can result in increased SOC storage. Mass-wasting related accumulations of mobilised material can significantly impact coastal erosion in situ or along the adjacent coast by longshore drift. Therefore, the coastline movement observations cannot completely resolve the actual sediment loss due to these temporary accumulations. The predicted increase of mass-wasting activity in the course of Arctic warming may increase SOC mobilisation and coastal erosion induced carbon fluxes.show moreshow less
  • Die Erwärmung des arktischen Klimas beschleunigt das Tauen des Permafrosts. Das kann einen erheblichen Einfluss auf arktische Landschaften haben. Permafrostböden speichern große Mengen Kohlenstoff, der aufgrund von Umlagerungsprozessen wie beispielsweise Massenversatz mobilisiert und als Kohlendioxid oder Methan freigesetzt werden kann. Der Kohlenstoff im Boden kann auch durch Küstenerosion mobilisiert werden, die durch den Rückgang des arktischen Meereises und höhere Meerwassertemperaturen künftig stark zunehmen wird. Große Teile der arktischen Permafrostgebiete werden durch intensive Massenversatzprozesse wie Solifluktion, Rutschungen in der saisonalen Auftauschicht (active layer detachments) und rückschreitende Taurutschungen (retrogressive thaw slumps) gekennzeichnet. Unser Ziel ist es, den Einfluss dieser Massenbewegungen auf Kohlenstoffspeicher und Küstenerosion zu bewerten. Wir haben Auftauschicht- und Permafrostproben untersucht, um den Kohlenstoffspeicher für Herschel Island zu ermitteln. Wir verglichen ungestörtes TerrainDie Erwärmung des arktischen Klimas beschleunigt das Tauen des Permafrosts. Das kann einen erheblichen Einfluss auf arktische Landschaften haben. Permafrostböden speichern große Mengen Kohlenstoff, der aufgrund von Umlagerungsprozessen wie beispielsweise Massenversatz mobilisiert und als Kohlendioxid oder Methan freigesetzt werden kann. Der Kohlenstoff im Boden kann auch durch Küstenerosion mobilisiert werden, die durch den Rückgang des arktischen Meereises und höhere Meerwassertemperaturen künftig stark zunehmen wird. Große Teile der arktischen Permafrostgebiete werden durch intensive Massenversatzprozesse wie Solifluktion, Rutschungen in der saisonalen Auftauschicht (active layer detachments) und rückschreitende Taurutschungen (retrogressive thaw slumps) gekennzeichnet. Unser Ziel ist es, den Einfluss dieser Massenbewegungen auf Kohlenstoffspeicher und Küstenerosion zu bewerten. Wir haben Auftauschicht- und Permafrostproben untersucht, um den Kohlenstoffspeicher für Herschel Island zu ermitteln. Wir verglichen ungestörtes Terrain mit durch Massenversatz gekennzeichnetem Terrain. Letzteres zeigte verringerte Bodenkohlenstoffspeicher und Materialverdichtung. Durch Akkumulation organischen Materials gekennzeichnete Lagen zeigten eine Zunahme des Kohlenstoffpeichers. Der Bodenkohlenstoffspeicher auf Herschel Insel korreliert außerdem deutlich mit der Lage in Senken und der Hangneigung. Der Kohlenstoffspeicher im Boden von Herschel Island ist etwa so hoch wie in vergleichbaren Landschaften im Nordwesten Kanadas und Alaskas. Wir schätzen ihn auf 34,8 kg C m-2. Wir ermittelten Küstenerosionsraten mit hochauflösenden Digitalen Geländemodellen (DGM). Dazu benutzten wir zwei LIDAR Aufnahmen der Yukon Küste aus den Jahren 2012 und 2013. Zwei DGMs mit 1 m horizontaler Auflösung wurden erzeugt und verwendet, um die Höhenunterschiede entlang der Küste zu analysieren. Wir fanden eine erhebliche räumliche Variabilität in kurzfristigen Küstenerosionsraten. Wir erklärten die hohe Variabilität mit der räumlichen Heterogenität des Vorkommens von Massenversatzprozessen. Besonders die sogenannten retrogressive thaw slumps bewirkten extrem hohe Erosionsraten an einigen Küstenabschnitten. Durch Strandversetzung wird erodiertes Sediment die Küste entlang transportiert und beeinflusst so nicht nur lokale Küstenprozesse, sondern auch benachbarte Küstenabschnitte. Um die längerfristige Entwicklung der Küste einschätzen zu können, haben wir volumetrische Erosionsraten aus dem Vergleich eines stereophotogrammetrisch abgeleiteten DGM aus dem Jahr 2004 mit unseren LIDAR DGMs errechnet. Planimetrische Erosionsraten wurden anhand von digitalisierten Küstenlinien aus Satellitenbildern berechnet. So konnte auch der Einfluss von volumetrischer und planimetrischer Erosion eingeschätzt werden. Wir fanden komplexe Zusammenhänge zwischen planimetrischer und volumetrischer Küstenerosion, die wir auf das gehäufte Auftreten von Massenversatzprozessen entlang einiger Küstenabschnitte zurückführen. Die Ergebnisse legen nahe, dass volumetrische Erosionsraten den beobachteten Umweltbedingungen besser entsprechen als planimetrische Erosionsraten und somit besser geeignet sind zur Einschätzung organischer Kohlenstoffflüsse in Permafrostgebieten entlang der arktischen Küsten. Massenversatz kann den Kohlenstoffspeicher im Boden mit verschiedenen Mechanismen verringern. Erhöhte Belüftung kann die mikrobielle Aktivität erhöhen, die den Abbau organischer Materie beschleunigt. Durch veränderte hydrologische Bedingungen nach Massenversatz können Stoffe aus der Auftauschicht ausgewaschen werden. Organikreiche Stoffe können auch direkt ins einem Meer in einen See erodiert werden. Andererseits kann die Akkumulation von umgelagertem Material zu einer Erhöhung des Bodenkohlenstoffspeichers an anderer Stelle führen. Die Akkumulation von Material aus Massenversatz kann erhebliche Auswirkungen auf die lokale Küstenerosion, durch Strandversetzung aber auch auf angrenzende Küstenabschnitte haben. Allein durch Beobachtung der Veränderung von Küstenlinien kann aufgrund solcher temporärer Ansammlungen die Einschätzung des tatsächlichen Sedimentverlustes pro Küstenabschnitt nicht präzise wiedergegeben werden. Im Zuge der prognostizierten Erwärmung der Arktis und der damit verbundene Zunahme von Massenversatzprozessen und Küstenerosion wird sich die Mobilisierung von Bodenkohlenstoff aus Permafrost zukünftig beschleunigen.show moreshow less

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Metadaten
Author:Jaroslav Obu
URN:urn:nbn:de:kobv:517-opus4-90599
Advisor:Hugues Lantuit
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2015
Publishing Institution:Universität Potsdam
Granting Institution:Universität Potsdam
Date of final exam:2016/05/11
Release Date:2016/06/29
Tag:Kohlenstoffspeicher; Küstenerosion; Massenversatzprozesse
coastal erosion; mass wasting; soil organic carbon
Pagenumber:iii, 93
RVK - Regensburg Classification:TF 04999 , TI 6800 , TP 8220 , TG 7100
Organizational units:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Erd- und Umweltwissenschaften
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 55 Geowissenschaften, Geologie / 550 Geowissenschaften
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