Polygons in tundra wetlands: state and dynamics under climate variability in Polar Regions (POLYGON)

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professorin Dr. Ulrike Herzschuh; Professor Dr. Hans Joosten; Professor Dr. Lars Kutzbach
• Fachliche Zuordnung: Paläontologie ; Bodenwissenschaften
• Förderung: Förderung von 2010 bis 2016
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 164232461

• Erstellungsjahr: 2016

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Polygonale Tundrenlandschaften (Polygonmoore) prägen weite Teile der modernen arktischen und subarktischen Tiefländer. Im Rahmen des POLYGON Projektes wurden diese an zwei charakteristischen Lokalitäten im Kolymadelta (Pokhodsk) und im Indigirka Tiefland in Nordostsibirien untersucht. Zusätzliche Untersuchungsstandorte lagen im Lenadelta und im Anabar Tiefland. Umfangreiche Feldarbeiten 2011-13 widmeten sich der kryologischen, limnologischen, pedologischen und ökologische Charakteristika moderner Polygontundren. Die heutigen Umweltbedingungen und ihre Steuerparameter wurden erfasst und bewertet. Das Inventar der Faunen- und Florengemeinschaften in Tümpeln, Mooren und Permafrostböden wurden untersucht und erbrachten zum Teil eine nicht erwartete Artenvielfalt, deren räumliche Verteilung die unterschiedlichen Landschaftskomponenten im Makro- und Mikrorelief widerspiegeln. Wesentliche Einflussfaktoren für aquatische Lebensgemeinschaften sind chemische Eigenschaften des Gewässer, die durch die Position der Polygontümpel in der Landschafft definiert sind. Feuchteunterschiede der saisonalen Auftauschicht im Polygonwall und –zentrum definieren die Vegetationszusammensetzung innerhalb einzelner Polygone. Die Untersuchung moderner Pollenverbreitung im polygonalen Mikrorelief im Vergleich zur Vegetationsverteilung zeigte, dass palynologische Befunde aus fossilen Polygonen eher kleinräumige Aussagekraft besitzen. Die detaillierte Analyse der Nährstoffverfügbarkeiten ergab, dass das Pflanzenwachstums in der polygonalen Tundra gegenwärtig durch Stickstoff limitiert ist. Jedoch ist langfristig eine Limitierung durch Phosphor zu erwarten, da hohe Gehalte potentiell verfügbaren Stickstoffs nur geringen Gehalten potentiell mobilisierbarem Phosphors gegenüberstehen. Überraschenderweise wurden an allen untersuchten Standorten im dauerhaft gefrorenen Boden signifikante Anreicherungen anorganischen Stickstoffs in Form von Ammonium gefunden. Möglicherweise ist diese Stickstoffanreicherung ein Resultat mikrobieller Aktivität im dauerhaft gefrorenen Boden. Die Entwicklung polygonaler Tundren auf unterschiedlichen Zeitskalen über Jahrzehntausende bis zu den letzten Jahrzehnten wurde anhand von exemplarischen Kernen und Profilen nachgezeichnet. Der Einfluss interner und externe Steuerungsfaktoren auf die Entwicklung polygonaler Tundren ist auf den verschiedenen Zeitskalen unterschiedlich stark nachweisbar. Je kleiner der betrachtete Zeitraum und je näher er an der Gegenwart liegt, umso besser lassen sich zeitliche Dimensionen fassen und umso besser ist der Einfluss interner Steuerungsfaktoren abschätzbar. Der interdisziplinäre Untersuchungsansatz der beteiligten russischen und deutschen Projektpartner sowie die Arbeit auf unterschiedlichen Raum- und Zeitskalen zielt auf eine möglichst breite Erfassung der Eigenschaften von Polygonen, einem der wesentlichen Landschaftstypen der terrestrischen Arktis. Die Kombination kryolithologischer und pedologischer, biologischer und paläontologischer, geochemischer und modellierender Methoden erbrachte einen umfangreichen Datensatz und einen wesentlichen Erkenntnisgewinn zum Funktionieren von Polygontundra in der quartären Vergangenheit und Gegenwart.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• (2011). Last Glacial Maximum records in permafrost of the East Siberian Arctic. Quaternary Science Reviews 30, 3139-3151
  Wetterich S, Rudaya N, Tumskoy V, Andreev AA, Opel T, Schirrmeister L, Meyer H
  
• (2011). Short-term dynamics of a lowcentred ice-wedge polygon near Chokurdakh (NE Yakutia, NE Siberia) and climate change during the last ca 1250 years. Quaternary Science Reviews 30, 3013-3031
  de Klerk P, Donner N, Karpov NS, Minke M, Joosten H
  
• (2012). Joint Russian-German Polygon Project East Siberia 2011- 2014: The expedition Kytalyk 2011. Reports on Polar and Marine Research 653, 153 pp.
  Schirrmeister L, Pestryakova L, Wetterich S, Tumskoy V (eds.)
  
• (2013). River flooding as a driver of polygon dynamics: modern vegetation data and a millennial peat record from the Anabar River lowlands (Arctic Siberia). Biogeosciences 10, 5703-5728
  Zibulski R, Herzschuh U, Pestryakova LA, Wolter J, Müller S, Schilling N, Schirrmeister L, Wetterich S, Tian F
  
• (2013). Testate amoebae and environmental features of polygon tundra in the Indigirka lowland (East Siberia). Polar Biology 36, 857-870
  Bobrov AA, Wetterich S, Beermann F, Schneider A, Kokhanova L, Schirrmeister L, Pestryakova L, Herzschuh U
  
• (2013). Yedoma: Late Pleistocene ice-rich syngenetic permafrost of Beringia (Chapter 6.12). In: Elias SA (ed.) The Encyclopedia of Quaternary Science, vol. 3, 2nd edition. Amsterdam, Elsevier, pp. 542-552
  Schirrmeister L, Froese D, Tumskoy V, Grosse G, Wetterich S
  
• (2014). Ice Complex formation in arctic East Siberia during the MIS3 Interstadial. Quaternary Science Reviews 84, 39-55
  Wetterich S, Tumskoy V, Rudaya N, Andreev AA, Opel T, Meyer H, Schirrmeister L
  
• (2014). Vegetation patterns, pollen deposition and distribution of non-pollen palynomorphs in an ice-wedge polygon near Kytalyk (NE Siberia), with some remarks on arctic pollen morphology. Polar Biology 37, 1393-1412
  de Klerk P, Teltewskoi A, Theuerkauf M, Joosten H
  
• (2015). Carbon accumulation in a permafrost polygon peatland: steady long-term rates in spite of shifts between dry and wet conditions. Global Change Biology 21, 803-815
  Gao Y, Couwenberg J
  
• (2015). Stoichiometric analysis of nutrient availability (N, P, K) within soils of polygonal tundra. Biogeochemistry 122, 211- 227
  Beermann F, Teltewskoi A, Fiencke C, Pfeiffer E-M, Kutzbach L
  
• (2016). 4000 years of changing wetness in a permafrost polygon peatland (Kytalyk, NE Siberia): A comparative high-resolution multi-proxy study. Permafrost and Periglacial Processes 27, 76-95
  Teltewskoi A, Beermann F, Beil I, Bobrov A, de Klerk P, Lorenz S, Lüder A, Michaelis D, Joosten H
  
• (2016). Freshwater ostracods (Crustacea) and environmental variability of polygon ponds in the tundra of the Indigirka Lowland, north-east Siberia. Polar Research 35, 25225
  Schneider A, Wetterich S, Schirrmeister L, Herzschuh U, Meyer H, Pestryakova L
  
• (2016). Studies of polygons in Siberia and Svalbard. Reports on Polar and Marine Research 697, 275 pp.
  Schirrmeister L, Pestryakova L, Schneider A, Wetterich S
  
• (2016). Vegetation patterns along micro-relief and vegetation type transects in polygonal landscapes of the Siberian Arctic. Journal of Vegetation Science 27(2), 377-386
  Zibulski R, Herzschuh U, Pestryakova LA
  
• (under review). Permafrost thaw and release of inorganic nitrogen from polygonal tundra soils in eastern Siberia. Biogeosciences Discussions, pp. 1-27, 2016
  Beermann F, Langer M, Wetterich S, Strauss J, Boike J, Fiencke C, Schirrmeister L, Pfeiffer E-M, Kutzbach L
  
• Ice Complex permafrost of MIS5 age in the Dmitry Laptev Strait coastal region (East Siberian Arctic). Quaternary Science Reviews
  Wetterich S, Tumskoy V, Rudaya N, Kuznetsov V, Maksimov F, Opel T, Meyer H, Andreev AA, Schirrmeister