Feldforschung aus erster Hand: Einbeziehung von Mangroven in Küstenmodelle für eine bessere Klimavorhersage

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Um wichtige Dynamiken in überschwemmungsgefährdeten Küstengebieten besser zu verstehen, besuchten Wissenschaftler des Oak Ridge National Laboratory, die an Simulationen der Kohlenstoff- und Nährstoffkreisläufe der Erde arbeiteten, Experimentatoren, die Daten in einem Feuchtgebiet in Texas sammelten. Dort liefert die Rückkehr einer wichtigen Mangrovenart wichtige Hinweise auf aktuelle und zukünftige Klimaauswirkungen auf Küstenökosysteme.

Ben Sulman und Shannon Jones vom ORNL reisten diesen Sommer nach Port Aransas, Texas, wo schwarze Mangroven eine Wiedergeburt erleben, nachdem sie 2021 durch einen extremen Frost verwüstet wurden. Mangroven, die in salzigem Brackwasser gedeihen, schützen Küstenökosysteme vor Sturmfluten und versorgen sie wichtiger Lebensraum für Fische, Reptilien und Vögel. Sie unterstützen die Fischereiindustrie, entfernen Kohlenstoff aus der Atmosphäre und könnten sich im Zuge der Klimaerwärmung entlang der Golfküsten der USA ausbreiten.

Mangroven und andere Küstenprozesse, die den Kohlenstoff- und Stickstoffkreislauf beeinflussen, sind in aktuellen Landsystemmodellen im Erdmaßstab unterrepräsentiert. Durch die Beobachtung der Datensammlung entlang der texanischen Küste erlangten Sulman und Jones ein besseres Verständnis der Bedingungen und Dynamiken, die zur Verbesserung groß angelegter Erdsimulationen erforderlich sind, die Küstengemeinden besser vorhersagen und dabei helfen können, sich auf Überschwemmungen und andere klimabedingte Risiken vorzubereiten.

Jones ist ein Postdoktorand mit einem Hintergrund in Hydrologie und Hochwassermodellierung. Sie arbeitet mit Sulman an der Darstellung biogeochemischer Prozesse in Küstenfeuchtgebietsmodellen, um die Reaktionen des Ökosystems auf Klimawandel, menschliche Aktivitäten und den Anstieg des Meeresspiegels besser vorhersagen zu können. Die Arbeit ist Teil einer Abteilung für Energie-Nachwuchsforschungsprogramm Auszeichnung unter der Leitung von Sulman. Ziel von Jones ist es, Veränderungen im Kohlenstoff- und Stickstoffkreislauf in diesen Ökosystemen im Landmodell Exascale Earth System (E3SM) des DOE, bekannt als ELM, zu bewerten, wobei der Schwerpunkt auf den Auswirkungen der Mangrovenausbreitung in Salzwiesengebiete liegt.

Die ORNL-Wissenschaftler schlossen sich Feldexkursionsleitern der University of Texas, Austin und Mitarbeitern des US Geological Survey und der University of Louisiana, Lafayette an. In diesem Bericht aus erster Hand beschreibt Jones die Erfahrungen aus der Feldarbeit und wie sie in ihre aktuelle Forschung einfließen.

Auf dem Weg zur Wiederherstellung des Mangroven-Ökosystems

Ich habe mich an Wissenschaftler der UT-Austin gewandt, um die Hauptmerkmale des Nährstoffkreislaufs der Mangroven zu besprechen, die sie von anderen Pflanzenarten in Feuchtgebieten unterscheiden. Ein Universitätsteam unter der Leitung von Ashley Matheny hat an einem Mangrovenstandort an der Küste von Texas Daten gesammelt, die einzigartige Einblicke in die Erholung des Ökosystems nach einem Tiefkühlereignis im Jahr 2021 liefern. Dies hat mein Interesse und das von Ben geweckt, da wir uns auf die Definition konzentrieren Parametrisierung der Überlebensgrenzen für Pflanzen im Modell, um Feuchtgebietspflanzen, die in hochdynamischen Gebieten leben, genauer zu simulieren. Wir beschlossen, an einer von Matheny organisierten und geleiteten Exkursion teilzunehmen.

Am Tag der Probenahme vor Ort starteten wir früh am Marine Science Institute (UT MSI) der University of Texas in Port Aransas. Der Mangrovenstandort ist nur mit dem Boot erreichbar und liegt auf einer Insel in der Aransas Bay zwischen dem Festland und der Barriereinsel. Um 7 Uhr morgens trafen wir uns mit Ashley Matheny, Melinda Martinez vom US Geological Survey und zwei Doktoranden, Robert Bordelon und Aaron Gondran von UL, Lafayette, zu einer kurzen Sicherheitseinweisung, um den Feldplan zu besprechen und die Ausrüstung in das Gelände zu laden Boot. Das achtsitzige Boot ist Eigentum von UT MSI und wird von diesem betrieben. Es wurde von einem lizenzierten UT MSI-Bootskapitän gefahren.

Die Wellen waren ruhig, als das Boot vom Dock abhob. Ein Nebel aus Salz und Wellen erfüllte die Luft, als das Boot auf die Insel zusteuerte. Die Bootsfahrt dauerte etwa 20 Minuten durch einen Schifffahrtskanal nach Harbour Island in der Nähe eines historischen Leuchtturms.

Als wir an der Baustelle ankamen, stiegen wir vom Boot in den matschigen Schlamm, umgeben von einem unheimlichen „Geisterwald“ aus verkümmerten, toten Mangroven in 60 cm tiefem Wasser. Vor dem Frost im Jahr 2021 war das Ökosystem gesund und dicht, mit Wurzeln, die dem Schlamm Stabilität verliehen. Jetzt waren von den meisten ausgewachsenen Mangroven nur noch die abgestorbenen Äste übrig, die das Sediment nicht mehr zusammenhielten, was dazu führte, dass unsere Stiefel ein wenig einsinkten und das Gehen schwierig wurde.

Nachdem die Ausrüstung vom Boot auf ein schwimmendes Floß geladen worden war, begann jeder der Mitarbeiter mit der Arbeit an verschiedenen Datenerfassungsaufgaben, während wir beobachteten und assistierten. Matheny ging auf die andere Seite des Mangrovenbestands, um einen Flux-Turm, den sie vor einigen Jahren installiert hatte, neu zu kalibrieren und Daten zu sammeln. Der Turm misst unter anderem den Kohlendioxid- und Methan-Gasaustausch zwischen dem Ökosystem und der Atmosphäre sowie Temperatur, Niederschlag, Windrichtung und -geschwindigkeit.

Während Matheny am Flussturm arbeitete, sammelten die anderen Mitarbeiter Daten mit zwei Hauptinstrumenten: Porenwassersippern und einer Treibhausgas-Flusskammer. Porenwasser, also das Wasser, das sich in den offenen Räumen unter der Bodenoberfläche befindet, wurde mit einem „Sipper“ gesammelt – einem Gerät aus Edelstahlrohren mit einer Probenahmeöffnung, die in kleine Löcher im Sediment eingeführt wurde. Sipper verwenden eine Pumpe, um das Bodenwasser zu extrahieren, das ins Labor zurückgebracht und auf Kohlendioxid-, Methan- und Lachgaskonzentrationen analysiert wird. Eine durchsichtige Schwimmkammer, die mit einem tragbaren Analysegerät verbunden war, wurde verwendet, um die Kohlendioxid- und Methanemissionen einzelner Mangroven – sowohl toter als auch lebender – und der Wasseroberfläche zu messen.

Die Messung dieser klimaerwärmenden Gase ist von unschätzbarem Wert, um zu bestimmen, wie Komponenten des Ökosystems – Pflanzen, Atmosphäre und Boden – Gase absorbieren und freisetzen. Diese Daten helfen Wissenschaftlern, die vom Flussturm gemessenen gesamten Gasflüsse des Ökosystems zu bestätigen und zu verstehen.

Der Feldtag war lang, aber wir profitierten von tollem Wetter. Aufgrund der Lage des Geländes mitten in einem überschwemmten Feuchtgebiet gab es keinen Platz zum Sitzen, sodass wir den ganzen Tag auf den Beinen waren!

Während wir während der Sammlung mit Mitarbeitern zusammenarbeiteten, erfuhren wir wichtige Zusammenhänge zu Mangroven, die wir möglicherweise übersehen hätten, wenn wir die Stätte nicht besucht hätten. Interessanterweise gelten diese Mangroven an diesem Standort und auf der anderen Seite des Golfs mit einer Höhe von 1 bis 2 Fuß als Zwergarten. Schwarze Mangroven, die in tropischeren Klimazonen als hohe Bäume wachsen, werden entlang der US-Küste kleiner und strauchiger, wo ihr Artenspektrum durch periodische Frosteinbrüche begrenzt ist.

Der Feldtag war lang, aber wir profitierten von tollem Wetter. Aufgrund der Lage des Geländes mitten in einem überschwemmten Feuchtgebiet gab es keine Sitzgelegenheiten, sodass wir den ganzen Tag auf den Beinen waren! Während wir während der Sammlung mit Mitarbeitern zusammenarbeiteten, erfuhren wir wichtige Zusammenhänge zu Mangroven, die wir möglicherweise übersehen hätten, wenn wir die Stätte nicht besucht hätten. Interessanterweise gelten diese Mangroven an diesem Standort und auf der anderen Seite des Golfs mit einer Höhe von 1 bis 2 Fuß als Zwergarten. Schwarze Mangroven, die in tropischeren Klimazonen als hohe Bäume wachsen, werden entlang der US-Küste kleiner und strauchiger, wo ihr Artenspektrum durch periodische Frosteinbrüche begrenzt ist.

Indem wir aus erster Hand sehen, wie das Ökosystem nach einem starken Frost reagiert, und diese Informationen nutzen, um den Feuchtgebietssimulationen Grenzen zu setzen, können wir dabei helfen, vorherzusagen, wie sich Mangrovenlebensräume mit einem wärmeren Klima in der Zukunft verändern oder ausdehnen könnten. Nach einem ganzen Tag voller Feldarbeit machten wir uns auf den Weg zurück an Land, wo wir die Ausrüstung entluden und einen erfolgreichen Feldtag mit einem Abendessen im The Gaff, einem lokalen Lieblingsrestaurant, feierten.

Am nächsten Tag trafen Ben und ich uns mit Katie Swanson, Stewardship-Koordinatorin für das Mission Aransas National Estuarine Research Reserve, und Matheny zu einem Rundgang durch die UT MSI-Einrichtungen und einem abschließenden Mitarbeitertreffen. Ben und ich haben Beobachtungsdaten angefordert, die zur Kalibrierung und zum Vergleich mit den modellierten Daten hilfreich wären. Wir besprachen bereits veröffentlichte Artikel und Daten, andere Mitarbeiter mit möglichen Daten und die nächsten Schritte in unserer Zusammenarbeit. Wir gingen hocherfreut über die erfolgreiche Exkursion und die fortgesetzte Partnerschaft.

Nutzung von Daten für Mangroven-Erkenntnisse

Die harte Arbeit der Datenerfassung ist von unschätzbarem Wert und wird bei der Modellierung des Erdsystems möglicherweise nicht immer berücksichtigt. Daher war diese Forschungsreise wichtig, um Kontakte zu Mitarbeitern zu knüpfen und ein besseres Gesamtverständnis der Bedingungen und wichtigen Dynamiken zu vermitteln, die in Modellsimulationen einbezogen werden sollen. Ben und ich haben den integrierten Modell-Beobachtungs-Experiment- oder ModEx-Ansatz des Biological and Environmental Research-Programms übernommen, um sicherzustellen, dass das Modell das aktuellste Feldwissen über Mangrovenökosysteme nutzt und um Bereiche zu informieren, in denen das Modell und die Feldforschung durchgeführt werden kann verbessern. Als Teil der Reisevorbereitung haben wir eine neue Forschungssicherheitszusammenfassung des ORNL getestet, die den Prozess für nicht vor Ort tätiges Personal, wie z. B. Modellbauer, rationalisiert, um Besuche vor Ort sicher durchzuführen, um sich mit einem Standort und den Beobachtungsmethoden vertraut zu machen.

Die Definition einer neuen Mangroven-Feuchtgebietspflanze zur besseren Darstellung des Kohlenstoff- und Nährstoffkreislaufs im ELM-Modell ist wichtig, um zu simulieren, wie unterschiedliche Arten von Feuchtgebieten entlang der US-Küste unter verschiedenen Klimaszenarien sind und sich verändern werden. Ich definiere jetzt Mangroven in ELM basierend auf Informationen aus dem Feldbesuch und Daten aus der Literatur. Der nächste Schritt besteht darin, die Modellsimulationen des Mangroven-Ökosystems unter extremen Klimaszenarien mit Mustern aus beobachteten Daten zu vergleichen. Ich werde mehrere Szenarien testen, um vorherzusagen, wie sich der Kohlenstoff- und Stickstoffkreislauf in Mangrovenökosystemen aufgrund eines langfristigen Anstiegs des Meeresspiegels, eines starken Frosts und eines großen Hurrikans ändern könnte. Ziel ist die Skalierung auf regionale Simulationen des Absterbens und der Ausbreitung von Mangroven.

UT-Battelle verwaltet ORNL für das Office of Science des Energieministeriums, den größten Einzelförderer der Grundlagenforschung in den Naturwissenschaften in den Vereinigten Staaten. Das Office of Science arbeitet an der Bewältigung einiger der dringendsten Herausforderungen unserer Zeit. Für weitere Informationen, besuchen Sie bitte energie.gov/science.

Artikel mit freundlicher Genehmigung von Oak Ridge National Laboratory. Von Shannon Jones.