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Etablierung von Torfmoosen und Begleitvegetation bei Torfmooskultivierung auf geringmächtigem Schwarztorf

authored by: Amanda Grobe
supervised by: Michael Rode
Abstract: Given the decline of peatland habitats, climate change, and the associated need to reduce greenhouse gas emissions, it is essential to rewet drained peatlands. When agricultural peatlands are rewetted, conventional drainage-based land use is no longer possible. A solution to this is offered by the so-called paludiculture, which is defined as the sustainable, productive use of peatlands under wet and thus peat-preserving conditions. Peat mosses (Sphagnum spec.) can be grown on nutrient-poor bog soils, and their biomass can be used as a renewable peat substitute for substrate production or as donor material for the restoration of peatlands. If other plant species besides Sphagnum establish at Sphagnum cultivation sites (TKF), the areas could additionally provide substitute habitat for rare and endangered peatland species. Previous Sphagnum cultivation – also known as Sphagnum farming pilot projects have been implemented on thick layers of slightly decomposed peat and thus favourable conditions for rewetting. However, after peat extraction or many years of agricultural use, often only thin layers of highly decomposed black peat remain. Due to their low porosity and hydraulic conductivity, these present a challenge for maintaining a stable near-surface water table, which is essential for optimal growth of Sphagnum and thus for successful Sphagnum cultivation. The aim of this dissertation is to evaluate whether the establishment of TKF on rewetted peat extraction sites with shallow layers of highly decomposed black peat is possible and whether TKF are suitable as substitute habitat for bog-typical and threatened plant species. The results are used to derive recommendations for establishing TKF, improving their suitability as substitute habitat, and establishing Sphagnum by biomass introduction on shallow layers of highly decomposed black peat. The studies were conducted at two TKF with shallow layers of highly decomposed black peat in the district of Emsland (Lower Saxony). One site had already been rewetted for seven years at the time of establishment, while the second site was rewetted concurrently with the establishment of the TKF. At three different times from October 2015 to October 2016, the TKF were introduced with biomass of two peat moss species (S. papillosum, S. palustre) from a total of four near-natural donor sites. The biomass was manually spread with different application densities in separate sections on the bare peat that had previously been equipped with irrigation ditches. The Sphagnum was then covered with two different cover materials (straw, geotextile) for their protection during the initial phase. The data was collected from March 2017 to October 2018. The establishment of Sphagnum and associated vegetation was recorded at the TKF. The influence of abiotic factors (e.g. peat thickness, water table) and factors resulting from the establishment of the TKF (e.g. irrigation ditch distances, protective cover) was examined with statistical analyses. Plant species composition and vegetation structure were also recorded at the TKF, and additionally at three of the near-natural donor sites (NSF) as well as at three rewetted peat extraction sites without the introduction of Sphagnum biomass (WVF). These served as a reference for the suitability of the TKF as substitute habitat. The results show that the two Sphagnum species tested in the trial (S. papillosum, S. palustre) can establish successfully on shallow layers of highly decomposed black peat. However, the high productivity realised in Sphagnum cultivation projects on moderately decomposed white peat could not be achieved. This was primarily due to insufficient water supply at both TKF. This can be attributed to the drying out of the irrigation polders and summers with low precipitation. Especially under the given difficult peat conditions, an adequate water supply (stable, near-surface water table throughout the year) is essential. It promotes Sphagnum growth and can reduce vascular plant cover. Inundation and higher nutrient concentrations should be avoided because they damage the Sphagnum or promote the establishment of nutrient-tolerant species. In addition to Sphagnum, associated vegetation had established at the TKF. While most of the associated plant species had only a low cover, Eriophorum angustifolium was the dominant companion species. The cover of Sphagnum and associated vegetation was significantly higher at the TKF that had been rewetted seven years prior to the establishment compared to the site that was rewetted concurrently with the establishment of the TKF. However, the water table was more favourable at the site with the lower establishment success. This result and the significant difference between the sites demonstrated that the success of a TKF is influenced by a complex interaction of different factors. In addition to water availability, the most important factors that positively influenced Sphagnum cover were a close distance to an irrigation ditch, higher vascular plant cover, a protective straw cover, and a greater peat layer thickness. Vascular plants can reduce evaporation and provide a suitable microclimate. Similarly, a rewetted environment and beneficial site geometry contribute to a favourable microclimate and a reduced evaporation. To protect Sphagnum from evaporation in the initial phase, straw proved to be more suitable than geotextile. To avoid losses in the initial phase due to water deficits, when establishing a TKF, the irrigation systems should be set up to be fully functional before the Sphagnum is spread at the site. The spacing of irrigation systems should be designed based on the hydraulic conductivity of the peat for favourable distribution of irrigation water. With increasing distance and thus insufficient water supply, the cover of vascular plants has increased. If optimal Sphagnum growth is achieved at a TKF and homogeneous areas with an even water supply and closed Sphagnum carpet are established, a lower cover of vascular plants can be expected. This would reduce the need for active removal of associated vegetation, e.g. by mowing, if it becomes competition for the Sphagnum. In addition, a lower number of plant species (e.g. of drought-tolerant species) can be expected compared to TKF, where structural diversity results from an uneven establishment of Sphagnum. In addition to Sphagnum, bog-typical and threatened plant species have also established at the TKF (e.g. Drosera rotundifolia, Kurzia pauciflora, Vaccinium oxycoccos). Thus, the establishment of the TKF provided substitute habitats for these species. Many of the species were transferred from the near-natural donor sites, and a high similarity in species composition between the TKF and the associated donor site was found. The WVF without the introduction of Sphagnum biomass were species-poor compared to TKF and NSF. A higher application density of the donor material resulted in a better replication of species composition as well as limited immigration and therefore competitive pressure from other species from the surrounding area. The potential for colonisation from the surrounding area did significantly influence the cover of associated vegetation, species composition, and vegetation structure at the TKF. Whether the aim of cultivating Sphagnum and providing substitute habitats for bog-typical and threatened plants are compatible also likely depends on the management and the associated disturbance of the sites (e.g. harvesting of Sphagnum biomass, mowing of vascular plants). In this context, conservation-related enhancement through providing substitute habitat at TKF is likely more compatible with the cultivation of species-rich donor material for restoration measures than with the cultivation of pure Sphagnum biomass for substrate production. Currently, growing Sphagnum biomass on bog soils in paludiculture is not yet an economic alternative to conventional drainage-based agriculture. Given the importance of peatlands for climate change mitigation, Sphagnum cultivation and other types of paludiculture as well as peatland rewetting should continue to be a focus of research projects. For large-scale implementation, the political framework conditions in conjunction with funding for the management of rewetted peatlands must be directed accordingly and reliably established for the long term.
Organisation(s): Nature Conservation and Landscape Ecology
Type: Doctoral thesis
No. of pages: 82
Publication date: 2023
Publication status: Published
Sustainable Development Goals: SDG 3 - Good Health and Well-being, SDG 7 - Affordable and Clean Energy, SDG 10 - Reduced Inequalities, SDG 13 - Climate Action, SDG 15 - Life on Land
Electronic version(s): https://doi.org/10.15488/15684 (Access: Open)

BibTeX

@phdthesis{db071d38c1f84412915278dbf2bccc73,
title = "Etablierung von Torfmoosen und Begleitvegetation bei Torfmooskultivierung auf geringm{\"a}chtigem Schwarztorf",
abstract = "Angesichts des R{\"u}ckgangs von Moorlebensr{\"a}umen, des Klimawandels und der damit verbundenen Notwendigkeit Treibhausgasemissionen zu reduzieren, ist es unabdingbar entw{\"a}sserte Moorfl{\"a}chen wiederzuvern{\"a}ssen. Werden landwirtschaftlich genutzte Moorfl{\"a}chen wiedervern{\"a}sst, ist eine herk{\"o}mmliche, entw{\"a}sserungsbasierte Nutzung der Fl{\"a}chen nicht mehr m{\"o}glich. Eine L{\"o}sung hierf{\"u}r bietet die sogenannte Paludikultur, die als nachhaltige, produktive Nutzung von Mooren unter nassen und damit torfschonenden Bedingungen definiert ist. Auf n{\"a}hrstoffarmen Hochmoorb{\"o}den k{\"o}nnen Torfmoose (Sphagnum spec.) angebaut werden, deren Biomasse als nachwachsender Torfersatz f{\"u}r die Substratproduktion oder als Spendermaterial f{\"u}r die Renaturierung von Moorfl{\"a}chen verwendet werden kann. Wenn sich auf Torfmooskultivierungsfl{\"a}chen (TKF) weitere Pflanzenarten neben den Torfmoosen ansiedeln, k{\"o}nnten die Fl{\"a}chen zus{\"a}tzlich Ersatzlebensraum f{\"u}r seltene und gef{\"a}hrdete Moorarten bieten. Bisherige Pilotprojekte zur Torfmooskultivierung wurden auf m{\"a}chtigeren, schwach zersetzten Resttorfschichten und damit f{\"o}rderlichen Bedingungen f{\"u}r eine Wiedervern{\"a}ssung umgesetzt. Nach dem Torfabbau oder langj{\"a}hriger landwirtschaftlicher Nutzung verbleiben jedoch h{\"a}ufig nur stark zersetzte, geringm{\"a}chtige Schwarztorfschichten. Diese stellen aufgrund ihrer geringen Porosit{\"a}t und hydraulischen Leitf{\"a}higkeit eine Herausforderung f{\"u}r die Aufrechterhaltung von oberfl{\"a}chennahen Wasserst{\"a}nden dar, die f{\"u}r optimales Torfmooswachstum und damit erfolgreiche Torfmooskultivierung erforderlich sind. Ziel dieser Dissertation ist es zu evaluieren, ob die Etablierung von TKF auf wiedervern{\"a}ssten Torfabbaufl{\"a}chen mit geringm{\"a}chtigem, stark zersetztem Schwarztorf m{\"o}glich ist und ob TKF als Ersatzlebensraum f{\"u}r moortypische und gef{\"a}hrdete Pflanzenarten geeignet sind. Aus den Ergebnissen werden Empfehlungen f{\"u}r die Anlage von TKF, die Verbesserung ihrer Eignung als Ersatzlebensraum und die Etablierung von Torfmoosen durch Einbringung von Torfmoosbiomasse auf geringm{\"a}chtigem, stark zersetztem Schwarztorf abgeleitet. Die Untersuchungen erfolgten auf zwei TKF mit geringm{\"a}chtigem, stark zersetztem Schwarztorf im Landkreis Emsland (Niedersachsen). Eine Fl{\"a}che war zum Zeitpunkt der Anlage bereits sieben Jahre wiedervern{\"a}sst, w{\"a}hrend die zweite Fl{\"a}che erst mit der Anlage der TKF wiedervern{\"a}sst wurde. Die TKF wurden zu drei verschiedenen Zeitpunkten von Oktober 2015 bis Oktober 2016 mit Biomasse von zwei Torfmoosarten (Sphagnum papillosum, S. palustre) aus insgesamt vier naturnahen Spenderfl{\"a}chen beimpft. Die Biomasse wurde mit unterschiedlichen Ausbringungsdichten in separaten Bereichen manuell auf Torffl{\"a}chen ausgestreut, die zuvor mit Bew{\"a}sserungsgr{\"a}ben ausgestattet wurden. Die Torfmoose wurden zu ihrem Schutz in der Initialphase mit zwei unterschiedlichen Abdeckungen versehen (Stroh, Geotextil). Die Erfassung der Daten erfolgte von M{\"a}rz 2017 bis Oktober 2018. Auf den TKF wurde die Etablierung der Torfmoose und der Begleitvegetation erfasst. Der Einfluss von abiotischen Faktoren (z.B. Torfm{\"a}chtigkeit, Wasserstand) und Faktoren, die aus der Anlage der TKF resultieren (z.B. Grabenabst{\"a}nde, Schutzabdeckungen), wurde mit statistischen Analysen gepr{\"u}ft. Auch die Pflanzenartenzusammensetzung und die Vegetationsstruktur wurde auf den TKF erfasst sowie zus{\"a}tzlich auf drei der naturnahen Spenderfl{\"a}chen (NSF) und drei wiedervern{\"a}ssten Torfabbaufl{\"a}chen ohne Einbringung von Torfmoosbiomasse (WVF). Diese dienten als Referenz f{\"u}r die Eignung der TKF als Ersatzlebensraum. Die Ergebnisse zeigen, dass sich die beiden im Versuch getesteten Torfmoosarten (S. papillosum, S. palustre) auf geringm{\"a}chtigem, stark zersetztem Schwarztorf erfolgreich etablieren k{\"o}nnen. Die hohe Produktivit{\"a}t, die bei Torfmooskultivierungsprojekten auf schwach zersetztem Wei{\ss}torf realisiert wurde, konnte jedoch nicht erreicht werden. Der Grund hierf{\"u}r war vorrangig eine unzureichende Wasserversorgung auf beiden TKF. Diese ist auf das Austrocknen der Bew{\"a}sserungspolder und niederschlagsarme Sommer zur{\"u}ckzuf{\"u}hren. Besonders bei den gegebenen schwierigen Torfeigenschaften ist eine ausreichende Wasserversorgung (ganzj{\"a}hrig stabiler, oberfl{\"a}chennaher Wasserstand) unabdingbar. Sie f{\"o}rdert das Torfmooswachstum und kann die Deckung von Gef{\"a}{\ss}pflanzen reduzieren. {\"U}berstau und h{\"o}here N{\"a}hrstoffkonzentrationen sollten vermieden werden, weil sie die Torfmoose sch{\"a}digen oder die Etablierung von n{\"a}hrstofftoleranten Arten f{\"o}rdern. Neben den Torfmoosen hat sich Begleitvegetation auf den TKF etabliert. W{\"a}hrend die meisten Begleitpflanzenarten nur eine geringe Deckung aufwiesen, war Eriophorum angustifolium die dominierende Begleitpflanzenart. Die Deckung der Torfmoose und der Begleitvegetation war auf der TKF, die sieben Jahre vor der Anlage wiedervern{\"a}sst wurde, signifikant h{\"o}her als auf der Fl{\"a}che, die zeitgleich mit der Anlage der TKF wiedervern{\"a}sst wurde. Jedoch waren die Wasserst{\"a}nde auf der Fl{\"a}che mit dem geringen Etablierungserfolg g{\"u}nstiger. Dieses Ergebnis und der deutliche Unterschied zwischen den Fl{\"a}chen zeigt, dass der Erfolg einer TKF durch ein komplexes Zusammenspiel von verschiedenen Faktoren beeinflusst wird. Neben der Wasserverf{\"u}gbarkeit waren die wichtigsten Faktoren, die die Torfmoosdeckung positiv beeinflussten, eine geringe Entfernung zu einem Bew{\"a}sserungsgraben, eine h{\"o}here Deckung von Gef{\"a}{\ss}pflanzen, eine Schutzabdeckung mit Stroh und eine h{\"o}here Torfm{\"a}chtigkeit. Gef{\"a}{\ss}pflanzen k{\"o}nnen die Verdunstung reduzieren und f{\"u}r ein geeignetes Mikroklima sorgen. Ebenso tragen eine wiedervern{\"a}sste Umgebung und eine vorteilhafte Fl{\"a}chengeometrie zu einem g{\"u}nstigen Mikroklima und zu einer Reduzierung der Verdunstung bei. Um die Torfmoose in der Initialphase vor Verdunstung zu sch{\"u}tzen, ist Stroh besser geeignet als Geotextil. Um in der Initialphase Ausf{\"a}lle durch Wasserdefizite zu vermeiden, sollten bei der Anlage einer TKF zun{\"a}chst die Bew{\"a}sserungssysteme voll funktionsf{\"a}hig eingerichtet werden, bevor die Torfmoose auf der Fl{\"a}che ausgebracht werden. Der Abstand der Bew{\"a}sserungsanlagen zueinander sollte in Abh{\"a}ngigkeit von der hydraulischen Leitf{\"a}higkeit des Torfes f{\"u}r eine g{\"u}nstige Verteilung des Bew{\"a}sserungswassers ausgelegt werden. Mit zunehmendem Abstand und damit unzureichender Wasserversorgung hat auch die Deckung von Gef{\"a}{\ss}pflanzen zugenommen. Wenn auf einer TKF optimales Torfmooswachstum erreicht wird und homogene Fl{\"a}chen mit gleichm{\"a}{\ss}iger Wasserversorgung und durchgehendem Torfmoosrasen etabliert werden, ist mit einer geringeren Deckung von Gef{\"a}{\ss}pflanzen zu rechnen. Dadurch verringert sich der Aufwand f{\"u}r eine aktive Entfernung der Begleitvegetation z.B. durch Mahd, wenn diese zu einer Konkurrenz f{\"u}r die Torfmoose wird. Zudem ist mit einer geringeren Anzahl von Begleitarten (z.B. von trockenheitstoleranten Arten) im Vergleich zu TKF zu rechnen, auf denen die strukturelle Vielfalt aus einer ungleichm{\"a}{\ss}igen Etablierung der Torfmoose resultiert. Neben den Torfmoosen haben sich auch moortypische und gef{\"a}hrdete Pflanzenarten (z.B. Drosera rotundifolia, Kurzia pauciflora, Vaccinium oxycoccos) auf den TKF angesiedelt. Somit konnte durch die Anlage der TKF Ersatzlebensraum f{\"u}r diese Arten geschaffen werden. Viele der Arten wurden von den naturnahen Spenderfl{\"a}chen {\"u}bertragen und es zeigte sich eine hohe {\"A}hnlichkeit der Artenzusammensetzung der TKF mit der jeweiligen Spenderfl{\"a}che. Die WVF ohne Einbringung von Torfmoosbiomasse waren im Vergleich zu TKF und NSF artenarm. Eine h{\"o}here Ausbringungsdichte des Spendermaterials f{\"u}hrte zu einer besseren Replikation der Artenzusammensetzung und begrenzt die Einwanderung und damit den Konkurrenzdruck von anderen Arten aus der Umgebung. Das Besiedlungspotenzial aus der Umgebung hat die Deckung der Begleitvegetation, die Artenzusammensetzung und Vegetationsstruktur auf den TKF ma{\ss}geblich beeinflusst. Ob das Ziel der Kultivierung von Torfmoosen und die Bereitstellung von Ersatzlebensr{\"a}umen f{\"u}r moortypische und gef{\"a}hrdete Pflanzen vereinbar sind, h{\"a}ngt wahrscheinlich auch von der Bewirtschaftung und der damit verbundenen St{\"o}rung der Fl{\"a}chen ab (z.B. Ernte von Torfmoosbiomasse, Mahd von Gef{\"a}{\ss}pflanzen). Dabei l{\"a}sst sich eine naturschutzfachliche Aufwertung durch Bereitstellung von Ersatzlebensraum auf TKF wahrscheinlich besser mit dem Anbau von artenreichem Spendermaterial f{\"u}r Renaturierungsma{\ss}nahmen vereinbaren als mit der Produktion von reiner Torfmoosbiomasse f{\"u}r die Substratproduktion. Aktuell ist der Anbau von Torfmoosbiomasse auf Moorb{\"o}den in Paludikultur noch keine wirtschaftliche Alternative zu konventioneller, entw{\"a}sserungsbasierter Landwirtschaft. Angesichts der Bedeutung von Mooren f{\"u}r den Klimaschutz sollten die Torfmooskultivierung und andere Paludikulturen sowie die Wiedervern{\"a}ssung von Moorfl{\"a}chen weiter im Fokus von Forschungsprojekten stehen. F{\"u}r die gro{\ss}fl{\"a}chige Umsetzung m{\"u}ssen die politischen Rahmenbedingungen in Verbindung mit der F{\"o}rderung f{\"u}r nasse Bewirtschaftung von Moorb{\"o}den entsprechend ausgerichtet sowie langfristig und verl{\"a}sslich etabliert werden.",
author = "Amanda Grobe",
year = "2023",
doi = "10.15488/15684",
language = "Deutsch",
publisher = "Leibniz Universit{\"a}t Hannover",
school = "Gottfried Wilhelm Leibniz Universit{\"a}t Hannover",
}