Variabilität der Speicherung von blauem Kohlenstoff in der trockenen Verdunstungsumgebung zweier Küsten-Sabkhas oder Wattflächen

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 12723 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Details zu den Metriken

Küsten-Sabkhas sind Wattflächen, die in trockenen Küstenregionen in der supratiden Zone vorkommen, wenn hohe Verdunstungsraten zu einem hohen Salzgehalt führen. Während sich verdunstende Mineralien häufig unter der Oberfläche ansammeln, sind auf der Oberfläche von Sabkhas mikrobielle Matten vorhanden. Küsten-Sabkha, ein wenig erforschtes Ökosystem in Katar, hat das Potenzial, blauen Kohlenstoff zu speichern. In der vorliegenden Studie untersuchten wir die Kohlenstoffspeicherkapazität zweier Sabkhas mit unterschiedlichem geologischen Hintergrund. Es wurden die räumlichen und zeitlichen Variabilitäten der Kohlenstoffvorräte untersucht. Die Ergebnisse zeigten, dass beide untersuchten Sabkhas mit Kohlenstoffvorräten von 109,11 ± 7,07 Mg C ha−1 und 67,77 ± 18,10 Mg C ha−1 in Dohat Faishakh und Khor al Adaid Sabkha ein beträchtliches Potenzial für die Kohlenstoffspeicherung im Boden aufweisen. Diese Werte liegen innerhalb des gemeldeten Bereichs für Kohlenstoffvorräte in Küsten-Sabkhas in der Region (51–194 Mg C ha-1). Interessanterweise waren die Kohlenstoffvorräte in den Sedimenten der Sabkhas höher als die in den Sedimenten der Mangroven Katars (50,17 ± 6,27 Mg C ha−1). Diese Ergebnisse legen nahe, dass Küsten-Sabkhas in trockenen Umgebungen als Ökosysteme mit blauem Kohlenstoff dienen können.

Der Begriff „blauer Kohlenstoff“ wurde vor einem Jahrzehnt geprägt, um den entscheidenden Beitrag von Küstenökosystemen bei der Bindung von atmosphärischem Kohlendioxid zu beschreiben und somit über erhebliche Kohlenstoffvorräte und -flüsse zu verfügen1,2, und um auf die Verschlechterung der Küstenökosysteme aufmerksam zu machen, die dringend geschützt und wiederhergestellt werden müssen Bemühungen zur Abmilderung der Auswirkungen des Klimawandels3,4.

Sabkha ist der arabische Begriff für breite, flache inter- und supratide Salzwüsten ohne Gefäßpflanzen und ist anfällig für Überschwemmungen unterschiedlicher Häufigkeit und Dauer5,6. Sabkhas entstehen in einem trockenen Klima, wenn die Verdunstungsrate die Niederschlagsrate übersteigt; Daher kommt es entweder an der Oberfläche oder innerhalb von Sedimenten zu Evaporitablagerungen6. Die alten Sabkha-Sequenzen sind wichtige Öl- und Gaslagerstätten7. Sabkhas verfügen über ein geografisch weites Verbreitungsgebiet und kommen in Südosteuropa, an der kalifornischen Küste, in Mexiko, im Nahen Osten und in Nordafrika, in Australien und auf der Arabischen Halbinsel vor8. Basierend auf ihrer Lage relativ zur Küste werden Sabkhas in zwei Typen eingeteilt: Küsten- und Binnen-Sabkhas9. Küsten-Sabkhas kommen im Allgemeinen an der Küste von Trockengebieten vor. Diese Sabkhas werden kontinuierlich mit salzhaltigem Meerwasser gespeist, um Verdunstungsverluste auszugleichen, und enthalten siliziklastische oder Karbonatsedimente6,9. Diese Sabkhas werden typischerweise während Springfluten und wenn Nordwinde das Meerwasser stark ins Landesinnere treiben5,10, regelmäßig überschwemmt. Küsten-Sabkhas zeichnen sich häufig durch das Vorhandensein lebender mikrobieller Matten aus11. Diese Matten bestehen aus verschiedenen Gemeinschaften von Mikroorganismen wie Cyanobakterien, Kieselalgen und anderen Algenarten sowie Pilzen und Bakterien12. Diese mikrobiellen Matten spielen eine wesentliche Rolle im Ökosystem, indem sie eine Quelle der Primärproduktion darstellen, Sedimente stabilisieren und den biogeochemischen Kreislauf beeinflussen13.

Studien an bewachsenen Küstenlebensräumen wie Mangroven, Seegras und Sabkhas haben deren Fähigkeit nachgewiesen, erhebliche Mengen an organischem Kohlenstoff zu binden und zu speichern14,15. Jüngste Studien legen nahe, dass Küsten-Sabkhas, bei denen es sich um dynamische und produktive Ökosysteme handelt, das Potenzial zur Kohlenstoffbindung haben8,16. Daher könnten Küsten-Sabkhas ein einzigartiges, aber übersehenes Ökosystem mit blauem Kohlenstoff darstellen, das bei der Modellierung des globalen Kohlenstoffhaushalts berücksichtigt werden sollte17.

Im Gegensatz zu terrestrischen Ökosystemen kann der in Küstensedimenten gebundene Kohlenstoff groß sein und über einen langen Zeitraum gespeichert bleiben, was zu beträchtlichen Kohlenstoffvorräten führt18. Küstenökosysteme sind bei der Bindung von Kohlendioxid pro Fläche und Jahr etwa zwei- bis viermal effektiver als Wälder und können bis zu doppelt so viel Kohlenstoff in ihren Böden und Sedimenten speichern19. Trotz der Bedeutung dieser Lebensräume ist in den letzten 50 Jahren mehr als die Hälfte der Ökosysteme mit blauem Kohlenstoff in alarmierendem Tempo verloren gegangen oder hat sich verschlechtert20. Sobald diese Lebensräume gestört sind, fungieren sie nicht länger als Kohlenstoffsenken und werden zu einer Quelle, die gespeicherten Kohlenstoff an die Atmosphäre abgibt. Daher ist es für die Gemeinschaft, einschließlich Wissenschaftlern, politischen Entscheidungsträgern und der Öffentlichkeit, wichtig, den globalen Kohlenstoffkreislauf und seine Beziehung zu Küstenökosystemen mit blauem Kohlenstoff zu untersuchen. Dieses Wissen kann als Grundlage für wirksame Strategien zur Kohlenstoffbindung sowie zur Wiederherstellung und Erhaltung dieser lebenswichtigen Lebensräume dienen. Darüber hinaus gibt es noch vieles, das wir nicht verstehen und das die Variabilität der Kohlenstoffspeicherung in Ökosystemen mit blauem Kohlenstoff, einschließlich Küsten-Sabkhas, erklären könnte.

Die Sabkhas von Katar sind seit den 1960er Jahren von Interesse, da sie als Analogon zu antiken Sedimentabfolgen gelten21. Frühere Untersuchungen der Küsten-Sabkhas in Katar haben entweder deren Geomorphologie dokumentiert10, sich jedoch hauptsächlich auf Dolomitbildungsprozesse und die Rolle von Mikroorganismen konzentriert22,23,24. Frühere Studien konzentrierten sich in erster Linie auf die Geomorphologie und die Dolomitbildungsprozesse dieser Sabkhas und übersahen dabei das Kohlenstoffspeicherpotenzial und seine Dynamik. Um diese Lücke zu schließen, ist eine gründliche Untersuchung erforderlich, um die Kohlenstoffvorräte in den Sedimenten der Küsten-Sabkhas zu quantifizieren und gleichzeitig die biogeochemischen Faktoren zu untersuchen, die zu den räumlichen Variationen der Kohlenstoffspeicherung beitragen. Darüber hinaus ist das Verständnis der Treiber der saisonalen Variabilität der Kohlenstoffvorräte von entscheidender Bedeutung für das Verständnis der Funktionsweise und Widerstandsfähigkeit dieser Ökosysteme. Durch die Schließung dieser Forschungslücken können wertvolle Erkenntnisse gewonnen werden, die als Grundlage für die Modellierung des globalen Kohlenstoffbudgets dienen und zur wirksamen Bewirtschaftung und Erhaltung dieser lebenswichtigen Küstenökosysteme mit blauem Kohlenstoff beitragen.

Diese Studie berichtet über das blaue Kohlenstoffpotenzial der Sabkhas an der Küste Katars. Unser Ziel war es, eine umfassende Analyse der Kohlenstoffvorräte in den Sabkhas an der Küste Katars durchzuführen. Wir haben den Kohlenstoffvorrat in zwei Sabkhas an der Küste quantifiziert, die potenziellen biogeochemischen Faktoren analysiert, die die räumliche Variabilität dieser Vorräte beeinflussen, und die Haupttreiber ihrer saisonalen Variabilität diskutiert.

Für diese Studie wurden zwei Küsten-Sabkhas im Bundesstaat Katar ausgewählt (Abb. 1). Khor Al-Adaid (KA) Sabkha liegt südöstlich von Katar und Dohat Faishakh (DF) Sabkha liegt an der Nordwestküste von Katar. Die Probenahmestellen wurden auf der Grundlage früherer Studien22,25 ausgewählt.

Sentinel-2-Satellitenbild, das Katar und die Probenahmeregionen zeigt (A). Dohat Faishakh Sabkha (B). Khor Al-Adaid Sabkha (Mitte).

Die KA Sabkha ist eine große Gezeitenbucht, die aus zwei Randlagunen im Landesinneren besteht. Es handelt sich um eine hypersaline Sabkha, die mit mikrobiellen Matten bedeckt ist (Abb. 2), umgeben von großen Sanddünen; Die Sedimente dieses Sabkha werden von siliziklastischen Partikeln dominiert10. DF Sabkha ist eine evaporitische Umgebung, die mit mikrobiellen Matten bedeckt ist und deren Sedimente von Gips- und Karbonatmineralien dominiert werden, die sich während des Holozäns gebildet haben26.

Fotografische Bilder verschiedener mikrobieller Matten bei KA Sabkha (A und B) und DF Sabkha (C und D).

Kernproben wurden zu verschiedenen Jahreszeiten im Zeitraum 2021–2022 entnommen (Tabelle 1). An jedem Probenahmepunkt wurden drei Sedimentkerne mit einem Kunststoffkern mit 6 cm Durchmesser entnommen. Sedimentkerne wurden in 5 cm dicke Schichten unterteilt, beginnend von der Oberflächenschicht bis zu einer Tiefe von 35 cm (Verweigerungstiefe). Fünf Gramm jeder geschnittenen Schicht wurden in sterile Röhrchen überführt und gefriergetrocknet. Die gefriergetrockneten Sedimente wurden vor der geochemischen Analyse manuell mit Mörser und Pistill gemahlen. Vor der Analyse wurden große sichtbare Gipskristalle aus den Bohrkernen der DF Sabkha entfernt.

Die Schüttdichte (g cm−3) wurde mit der Kernmethode27 bestimmt. Der Kern wurde so gesammelt, dass es nicht zu einer Verdichtung kommt, sorgfältig ohne Materialverlust geschnitten und dann 2 Tage lang bei 105 °C getrocknet. Die Schüttdichte wurde gemessen, indem die ofengetrocknete Bodenprobe durch das Innenvolumen des Zylinders dividiert wurde.

Zur Analyse der Haupt- und Spurenelemente (Ca, Na, Be, Mg, Al, P, K, Sr, Mn, Fe, V, Cr, Co, Ni, Zn, As und Mo) wurden Sedimentproben aufgeschlossen folgt: 1 ml 50 % HNO3 und 3 ml HF wurden verwendet, um 100 mg jeder Sedimentprobe in einem dicht verschlossenen Polytetrafluorethylenbehälter aufzuschließen, der 48 Stunden lang auf einer Heizplatte bei 160 °C gehalten wurde. Nach dem Eindampfen zur Trockne wurde 1 ml 55 % HClO4 in den Behälter gegeben, der auf 160 °C erhitzt wurde, bis die Säure vollständig verdampft war. Sobald die Probe auf 25 °C (Raumtemperatur) abgekühlt war, wurde 50 % HNO3 zugegeben und die Probe 12 Stunden lang auf 160 °C erhitzt. Anschließend wurde die Lösung auf Raumtemperatur abgekühlt und mit 10 % HNO328 verdünnt. Die Elementzusammensetzung wurde durch Massenspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma (ICP-MS) unter Verwendung eines PerkinElmer Optima 5300 DV-Geräts bestimmt.

Die mineralogische Gesamtzusammensetzung der Sedimente wurde mit einem Mehrzweck-Röntgendiffraktometer von PANalytical Empyrean bestimmt. Die Analyse der XRD-Spektren wurde mit der Crystal Impact Match-Software, Version 3.15, durchgeführt. Die Mengen an Mineralien in jeder Mischung wurden mithilfe der Match-Software halbquantitativ geschätzt.

Die Sedimentproben wurden verarbeitet, um ihren Gesamtkohlenstoffgehalt (TC) mit einem CHNS Skalar Primacs SNC-100 TN/TC/IC-Analysator zu bestimmen. Zunächst wurden die Sedimentproben auf eine Partikelgröße von ca. 0,05 mm gemahlen und anschließend 75 bis 125 mg des Sediments für die Analyse verwendet. Zur Bestimmung des TC-Gehalts wurden die Proben mit reinem O2 bei 1200 °C verbrannt, um eine vollständige Oxidation von Kohlenstoff zu CO2 zu ermöglichen. Anschließend wurde das erzeugte CO2 mittels Infrarotspektroskopie (IR) gemessen. Zur Analyse von anorganischem Kohlenstoff (TIC) wurden die Proben mit Phosphorsäure behandelt, um CO2 zu erzeugen, das mittels IR nachgewiesen wurde. Der Gehalt an organischem Kohlenstoff wurde durch Subtraktion von TIC von TC bestimmt.

Zur Berechnung der organischen Kohlenstoffvorräte (Corg) im Sediment in jeder Schicht wurde die folgende Formel verwendet:

Corg in einer bestimmten Tiefe wurde als Summe der Corg-Bestände in allen Sedimentschichten geschätzt. Wir haben die Corg-Sedimentbestände pro Flächeneinheit auf eine Tiefe von 1 m extrapoliert, um einen Vergleich mit den Ergebnissen früherer Studien zu ermöglichen.

Der Multispektral-Imager (MSI) von Sentinel-2 verfügt über 13 Bänder im VNIR- bis SWIR-Spektralbereich mit räumlichen Auflösungen von 10, 20 und 60 m30. In dieser Studie haben wir wolkenfreie MSI-Level-1C-Daten vom Copernicus Open Access Hub der Europäischen Weltraumorganisation erhalten, die dem Datum unserer Feldbeprobung zeitlich am nächsten kamen. Tabelle 2 enthält Einzelheiten zur Satellitendatenerfassung, einschließlich des Datums, des Wolkenbedeckungsprozentsatzes und der Verwendung von Sentinel-2A und Sentinel-2B für Dohat Faishakh Sabkha und Khor Al-Adaid Sabkha, mit spezifischen Informationen zu ihren Startdaten und Umlaufbahnen , Äquatordurchquerungszeiten, Sichtfeld und Wiederholungszyklen. Die Daten wurden mit dem Programm Sentinel Application Platform (SNAP) vorverarbeitet, das das Sen2Cor-Plugin und die Sentinel-2 Toolbox (http://step.esa.int/main/toolboxes/snap/)31,32 enthält. In dieser Studie wurde der Bodensalzgehalt der Sabkhas mithilfe der Spektralbänder von MSI und Indizes bildverarbeitet, nämlich des Normalized Difference Salinity Index (NDSI) (Band11-Band12)/(Band11 + Band12), der für Sabkha im Landesinneren verwendet wurde Katar von33 und verfügbar in der Indexdatenbank (IDB) für Sentinel-2-Fernerkundungsindikatoren (https://custom-scripts.sentinel-hub.com/custom-scripts/sentinel-2/indexdb/).

Das statistische Analysepaket IBM SPSS Statistics, Version 28.0.1.0 (142), wurde zur Durchführung aller statistischen Analysen in dieser Studie verwendet. Alle Ergebnisse werden als Mittelwert ± Standardabweichung ausgedrückt. Die Daten wurden auf Normalität und Homogenität der Varianz getestet, um sicherzustellen, dass sie die Annahmen parametrischer Methoden erfüllten. Unabhängige T-Tests und eine einfaktorielle Varianzanalyse (ANOVA) wurden verwendet, um Unterschiede zwischen den Standorten hinsichtlich der Sedimenteigenschaften zu bewerten. Der Pearson-Korrelationskoeffizient wurde berechnet, um die mögliche Korrelation zwischen dem Gehalt an organischem Kohlenstoff und der Tiefe zu testen.

Die chemischen Eigenschaften der Hauptelemente in den Sedimentproben, die zu verschiedenen Jahreszeiten aus den DF- und KA-Sabkhas gesammelt wurden, sind in (Abb. 3) dargestellt.

Tiefenprofile für durchschnittliche Konzentrationen (mg/g) von Hauptelementen und Spurenelementen, entnommen aus Sedimenten von KA (rote Linien) und DF (schwarze Linien).

Um mögliche Schwankungen zu berücksichtigen, wurden durchschnittliche Konzentrationen von Haupt- und Nebenelementen über verschiedene Schichten und Jahreszeiten hinweg berechnet. Die Sedimente von DF Sabkha zeigten deutlich höhere Konzentrationen an Haupt- und Nebenelementen als die von KA Sabkha (P = 0,008). Beispielsweise enthielten die Sedimente von KA über verschiedene Schichten hinweg durchschnittlich 64–114 mg/g Kalzium, während die Sedimente von DF durchschnittlich 95–231 mg/g Kalzium aufwiesen. Ebenso betrug die durchschnittliche Na-Konzentration 14–27 mg/g in KA und 16–43 mg/g in DF. Allerdings war die durchschnittliche K-Konzentration in KA mit 6–10 mg/g bzw. 5–8 mg/g höher als in DF (P = 0,007). Die Ba-Konzentrationen waren in KA auch höher als in DF, wobei Sedimente aus KA deutlich höhere Konzentrationen (P = 0,002) an Ba (0,12–0,22 mg/g) aufwiesen als DF-Sedimente (0,03–0,1 mg/g).

Die Hauptkomponentenanalyse (PCA) wurde eingesetzt, um weitere Einblicke in die Beziehungen zwischen den untersuchten Variablen und dem TOC zu gewinnen. Die PCA-Ergebnisse werden in (Abb. 4) dargestellt, das die Beziehungen zwischen den Haupt- und Nebenelementen, der Tiefe und dem gesamten organischen Inhalt in KA- und DF-Sabkhas zeigt. Es wurde festgestellt, dass die ersten beiden Hauptkomponenten (PC1 und PC2) 73 % bzw. 78 % der Variabilität in den Daten von KA und DF erklären, was auf ihren signifikanten Beitrag zur Analyse hinweist. Die PCA-Ergebnisse zeigen, dass eine starke Korrelation zwischen TOC und Tiefe im DF besteht. Allerdings scheint der TOC in KA keinen Zusammenhang mit der Tiefe zu haben und wird stärker von den Elementkonzentrationen beeinflusst.

PCA-Ergebnisse zeigen die Beziehung zwischen Elementen, Tiefe und gesamtem organischen Inhalt in: (A) KA und (B) DF Sabkhas. Zwischen den beiden Standorten sind deutliche Muster zu beobachten.

Die XRD-Spektrenanalyse der aus den beiden Sabkhas gesammelten Sedimente zeigte ein konsistentes Mineralprofil über die verschiedenen Jahreszeiten, mit Ausnahme der aus KA gesammelten Sedimente, die eine relativ höhere Variabilität aufwiesen (Abb. 5). Interessanterweise zeigten die Tiefenprofile erhebliche Unterschiede in der Mineralhäufigkeit. Beispielsweise war Quarz in verschiedenen Schichten von KA-Sedimenten reichlich vorhanden, wobei in den im Oktober 2022 gesammelten Sedimenten steigende Mengen an Gips beobachtet wurden. Im Gegensatz dazu enthielten aus DF gesammelte Sedimente Gips, Calcit und Dolomit. Bemerkenswert ist, dass die Dolomithäufigkeit in den tieferen Schichten der Sedimentkerne zunahm.

Mineralogie-Tiefenmuster, halbquantitativ berechnet unter Verwendung von XRD-Daten der Kernsedimentproben, die in verschiedenen Jahreszeiten von DF und KA Sabkha gesammelt wurden: (A) KA1 – 21. Dezember, (B) KA2, 22. Februar, (C) KA3, 22. Oktober, ( D) DF1, 21. Dezember, (E) DF2, 22. Februar und (F) DF3, 22. Oktober. Beispiele für XRD-Muster von KA3 und DF3 sind im rechten Bereich dargestellt. F: Quarz, C: Calcit, D: Dolomit, A: Aragonit, G: Gips, H: Halit.

Der organische Kohlenstoff im Sediment folgte in jedem Sabkha einem anderen Tiefentrend (Abb. 6). Die Pearson-Korrelation wurde berechnet, um die mögliche Beziehung zwischen dem Gehalt an organischem Kohlenstoff und der Tiefe in jedem Sabkha zu testen.

Prozentsatz des organischen Kohlenstoffs und Schwankungen der Schüttdichte sowie Tiefe für jedes Küsten-Sabkha. A) DF und B) KA. Die Ergebnisse werden als Mittelwert ± SD dargestellt.

In KA Sabkha besteht eine signifikante negative Korrelation zwischen dem Gehalt an organischem Kohlenstoff und der Tiefe (r = − 0,85, P < 0,01). Umgekehrt wurde in DF Sabkha eine starke und positive Korrelation zwischen dem Gehalt an organischem Kohlenstoff und der Tiefe festgestellt (r = 0,97, P < 0,01). Interessanterweise gab es keinen signifikanten Unterschied in der Schüttdichte der Sedimente zwischen den beiden Sabkhas. Darüber hinaus wurde in keinem der beiden untersuchten Sabkhas eine signifikante Korrelation zwischen der Schüttdichte und dem organischen Kohlenstoff beobachtet.

Um die Sedimentkohlenstoffvorräte in jedem Sabkha abzuschätzen, wurden die mittleren Sedimentkohlenstoffvorräte über die Jahreszeiten berechnet (Abb. 7). Bemerkenswerterweise waren die über alle Jahreszeiten gemittelten Kohlenstoffvorräte in DF (109,1 ± 7,1 Mg C ha−1) signifikant höher (P = 0,021) als in KA (67,8 ± 18,1 Mg C ha−1).

Kohlenstoffvorrat in den beiden untersuchten Sabkhas. Die Ergebnisse werden als Mittelwert ± SD dargestellt. *P < 0,05, unabhängiger Stichproben-T-Test.

Für jedes Sabkha wurden die Kohlenstoffvorräte in verschiedenen Jahreszeiten berechnet. Die Ergebnisse sind in (Abb. 8) dargestellt. Es wurden erhebliche Schwankungen der Kohlenstoffvorräte innerhalb KA über verschiedene Jahreszeiten hinweg beobachtet, während diese Schwankungen in DF relativ gering waren.

Kohlenstoffvorrat in jedem Sabkha zu verschiedenen Jahreszeiten. (A) KA Sabkha und (B) DF Sabkha. Die Ergebnisse werden als Mittelwert ± SD dargestellt. *P < 0,05, **P < 0,001, einfaktorielle ANOVA.

Die NDSI-Bilder, die für Daten erhalten wurden, die dem Feldprobenzeitraum am nächsten kommen, sind in Abb. 9 dargestellt. Diese Bilder ermöglichen die Visualisierung der räumlichen Verteilung des Bodensalzgehalts um und innerhalb der untersuchten Sabkhas. Der maximale Salzgehalt des Bodens wird aufgrund des hohen Reflexionsgrads des salzhaltigen Bodens (Karbonatboden, CS) des Gebiets in Rot um Sabkha herum interpretiert. Die Bilder zeigen salzverkrusteten Salzboden (SS), der Gips, Halit und Anhydrit enthält, die innerhalb der Sabkha vorkommen und rund um die Sabkha gelb bis blaugrün erscheinen. Alle Bilder zeigen einen allmählichen Anstieg des Salzgehalts im Boden der Sabkha im Laufe der Zeit, möglicherweise aufgrund von Veränderungen im trockenen Klima33. Darüber hinaus werden die Veränderungen des Salzgehalts durch die vorherrschende Hydrodynamik im Arabischen Golf beeinflusst34.

Bilder des Normalized Difference Salinity Index (NDSI) des MSI des DF Sabkha, aufgenommen am (A) 5. Dezember 2021, (B) 23. Februar 2022 und (C) 26. Oktober 2022, zeigen den Bereich mit salzhaltigem Boden (SS) ; Karbonatboden (CS); Wasser mit hohem Salzgehalt (HSW) und Wasser mit niedrigem Salzgehalt (LSW). Bilder des Normalized Difference Salinity Index (NDSI) des MSI des KA Sabkha, aufgenommen am (C) 20. Dezember 2021, (D) 18. Februar 2022 und (F) 26. Oktober 2022, zeigen den Bereich mit salzhaltigem Boden (SS) ; Karbonatboden (CS); Wasser mit hohem Salzgehalt (HSW) und Wasser mit niedrigem Salzgehalt (LSW)). • Lokalisiert die Beispielstelle.

Eines der wenig erforschten Küstenökosysteme ist Sabkha, das das Potenzial hat, organischen Kohlenstoff zu speichern. Die Küsten-Sabkhas erstrecken sich entlang der Küste von Katar. Die Kohlenstoffvorräte in den untersuchten Küsten-Sabkhas befanden sich vollständig in den Bodenbecken. Unsere Daten zeigten, dass beide Sabkhas ein hohes Kohlenstoffspeicherpotenzial im Boden haben (67,8 ± 18,10 und 109,11 ± 7,07 Mg C ha−1). Die in beiden Sabkhas beobachteten Kohlenstoffvorräte stimmen mit der Bandbreite der Kohlenstoffvorräte überein, die in früheren Studien zu Küsten-Sabkhas und ähnlichen Küstenumgebungen dokumentiert wurden. Um eine breitere Perspektive zu bieten, enthält Tabelle 3 eine Zusammenfassung der in verschiedenen Ländern in verschiedenen Küstenumgebungen gemessenen Kohlenstoffvorräte.

Interessanterweise wiesen die beiden untersuchten Küsten-Sabkhas höhere Kohlenstoffvorräte auf als die Bodenvorräte der Mangroven in Katar (50,17 ± 6,27 Mg C ha−1)36. Dies steht im Einklang mit anderen Studien, die über die geringe Fähigkeit von Mangrovensedimenten berichteten, als Kohlenstoffsenken zu fungieren37,38. Dies zeigt, dass Mangroven im Vergleich zu Küsten-Sabkhas in niederschlagsarmen, hypersalinen Gebieten über eine begrenzte Kapazität zur Kohlenstoffspeicherung im Boden verfügen, und weist darauf hin, dass Küsten-Sabkhas in trockenen Umgebungen als bedeutende Ökosysteme mit blauem Kohlenstoff angesehen werden könnten.

Unsere Ergebnisse zeigen, dass der organische Kohlenstoff im Sediment in jedem Sabkha einem deutlichen Tiefentrend folgte. Der organische Kohlenstoff in DF nahm mit der Tiefe zu, was durch die Wechselwirkung zwischen organischem Kohlenstoff und Mineral erklärt werden könnte, da die oberen Schichten von Gips dominiert werden, während die tiefen Schichten von Dolomit dominiert werden. Im Gegensatz dazu nahm der organische Kohlenstoff in KA mit der Tiefe ab, was auf die allochthone Ablagerung von Kohlenstoff auf dem Oberboden zurückzuführen ist. Dieser Unterschied unterstreicht die Variabilität in der Stabilisierung des organischen Kohlenstoffs zwischen Sabkhas an der Küste, die durch eine Reihe von Faktoren wie der Zusammensetzung der Mikrobengemeinschaft, der Mineralogie und der Hydrologie beeinflusst werden kann39.

Unterschiedliche biogeochemische Hintergründe können die Speicherung von Kohlenstoffvorräten in Sedimenten beeinflussen, und die Wechselwirkungen, die die Erhaltung organischer Substanz steuern, sind komplex40. Veröffentlichte Studien sind sich einig über die hohe Variabilität der organischen Kohlenstoffvorräte, die in relativ kleinen Gebieten auftreten können41. Unsere neuen Daten zeigen, dass DF Sabkha deutlich höhere Kohlenstoffvorräte aufweist als KA Sabkha. Basierend auf Feldmessungen und Kartierungssatellitendaten (Tabelle 1 und Abb. 9) könnte der Salzgehalt der primäre erklärende Faktor sein. Der Salzgehalt in DF Sabkha liegt zwischen 140 und 310 und ist deutlich höher als in KA Sabkha, wo er zwischen 47 und 89 ‰ liegt. Die Auswirkung des Salzgehalts auf die Kohlenstoffspeicherung lässt sich auf die Tatsache zurückführen, dass ein hoher Salzgehalt die Aktivität der meisten Mikroben verringern oder eine Umgebung schaffen kann, die für viele Mikroorganismen unwirtlich ist42,43, wodurch die Produktion von organischem Kohlenstoff verringert wird. Darüber hinaus kann eine hohe Versalzung des Bodens normalerweise die Emission von organischem Kohlenstoff im Sediment verringern, da die steife Salzschicht dessen Redoxreaktionen weitgehend einschränkt44,45. Dies steht im Einklang mit vielen Studien, die einen positiven Zusammenhang zwischen dem Salzgehalt des Bodens und dem organischen Kohlenstoff belegen46,47,48. Einige Studien haben jedoch über einen negativen Einfluss eines hohen Salzgehalts auf die Erhaltung organischer Substanz berichtet49. Dennoch ist der Zusammenhang zwischen der Erhaltung des organischen Kohlenstoffs und dem Salzgehalt in Sabkhas komplex und kann durch mehrere andere Faktoren beeinflusst werden.

Ein weiterer Faktor, der diese räumliche Variabilität der Kohlenstoffvorräte erklären könnte, ist die Mineralogie. Wechselwirkungen zwischen organischen Stoffen und Mineralien sind wesentliche Bestandteile des globalen Kohlenstoffkreislaufs und tragen zur Erhaltung organischer Stoffe bei50,51.

Wie erwartet zeigten unsere XRD- und Mineralogiemuster für Massensedimente, die aus den beiden untersuchten Sabkhas gewonnen wurden, dass KA, ein siliziklastisches Carbonat-Sabkha, ein vielfältigeres Spektrum an Mineraltypen aufweist als DF, ein reines Carbonat-Sabkha, was zu größerer Heterogenität führen und letztendlich reduzieren könnte die Kapazität der organischen Kohlenstoffspeicherung des Sabkha52. Diese Ergebnisse stehen im Einklang mit einer Studie, die darauf hindeutet, dass die petrophysikalischen Eigenschaften eines Siliziklas-Karbonat-Reservoirs komplexer sind als die von reinen Karbonat- oder Siliziklas-Reservoirs, was die Qualität des Reservoirs beeinträchtigen könnte52.

Die Konzentration wichtiger Elemente kann einen erheblichen Einfluss auf die Erhaltung von Kohlenstoff haben, obwohl der Einfluss dieser Elemente auf die Erhaltung organischer Substanz in Sabkha-Umgebungen komplex ist. Beispielsweise hat sich gezeigt, dass Kalzium eine Rolle bei der Erhaltung organischer Stoffe spielt53, indem es Kalzium-organische Komplexe bildet, die abbaubeständig sind54. Unsere Ergebnisse zeigten deutlich höhere Calciumkonzentrationen in DF-Sedimenten als in den KA-Sedimenten. Darüber hinaus kann die Konzentration von Spurenmetallen als Indikator für Redoxbedingungen in Sedimenten dienen55. Unsere Daten zeigten durchschnittlich höhere Konzentrationen von Eisen56 und Molybdän (Mo) in den Sedimenten von DF, was mit früheren Untersuchungen übereinstimmt, die darauf hinwiesen, dass Spurenelemente wie Eisen, Mangan und Molybdän, die in den Sabkha-Sedimenten vorhanden sind, die Erhaltung organischer Stoffe erleichtern können Angelegenheit57.

Die PCA-Ergebnisse deuten darauf hin, dass es in den beiden untersuchten Sabkhas erhebliche Unterschiede in der Assoziation zwischen TOC, TIC, Elementen und Tiefe gibt. Dieser Unterschied lässt darauf schließen, dass die Faktoren, die die Verteilung der organischen Substanz an den beiden Standorten beeinflussen, unterschiedlich sein könnten, was eine weitere Untersuchung der biogeochemischen Mechanismen erfordert, die die Erhaltung der organischen Substanz in Sabkhas steuern.

Frühere Studien haben über saisonale Schwankungen der biogeochemischen Eigenschaften von Sabkha58,59 berichtet. In dieser Studie wurde die saisonale Variabilität der Kohlenstoffvorräte in jedem Sabkha untersucht. Die Kohlenstoffvorräte in KA Sabkha zeigten eine äußerst signifikante Variabilität, was darauf hindeutet, dass der Kohlenstoffgehalt in KA auf saisonaler Ebene instabil ist und daher wahrscheinlich keine langfristige Kohlenstoffsenke darstellt.

XRD-Spektren bestätigten, dass KA Sabkha erhebliche Schwankungen in den Mineralogieprofilen aufweist, was mit den in dieser Umgebung beobachteten starken saisonalen biogeochemischen Schwankungen übereinstimmt. Satellitendaten bestätigten auch starke Schwankungen des Salzgehalts in KA Sabkha. Interessanterweise ergab unsere Studie, dass die Kohlenstoffvorräte in KA mit dem saisonalen Salzgehalt zunahmen, was auf einen möglichen Zusammenhang zwischen Salzgehalt und Kohlenstoffbindung in dieser Umgebung schließen lässt. Im Gegensatz dazu zeigte DF Sabkha trotz Schwankungen des Salzgehalts nur sehr geringe saisonale Schwankungen der Kohlenstoffvorräte. Dies könnte durch die Tatsache erklärt werden, dass DF ein stabiler Sabkha ist, der nicht den gleichen Schwankungen unterliegt wie KA. Insgesamt unterstreichen unsere Ergebnisse, wie wichtig es ist, sowohl biogeochemische als auch Umweltfaktoren zu berücksichtigen, wenn das Potenzial von Sabkhas als langfristige Kohlenstoffsenken beurteilt wird.

Diese Studie liefert wertvolle Erkenntnisse, die für die Küsten-Sabkhas in Katar und im Arabischen Golf direkt relevant sind, und ermöglicht es uns, eine umfassendere Bestandsaufnahme des Kohlenstoffspeicherpotenzials dieser Ökosysteme zu erstellen. Unsere Ergebnisse zeigen, dass Sabkhas an der Küste das Potenzial haben, erhebliche Mengen an organischem Kohlenstoff zu speichern, die zwischen 68 und 109 Mg C ha−1 liegen. Diese Werte sind vergleichbar mit denen ähnlicher Küstenökosysteme, die zwischen 50 und 190 Mg C ha−1 liegen.

Darüber hinaus ergaben unsere Untersuchungen eine bemerkenswerte Divergenz in den organischen Kohlenstoffvorräten der beiden Küsten-Sabkhas. Die beobachteten Unterschiede in den Kohlenstoffvorräten können auf Unterschiede in ihren jeweiligen biogeochemischen Eigenschaften und Salzgehalten zurückgeführt werden. Die KA Sabkha wies größere saisonale Schwankungen der Kohlenstoffvorräte auf, während die stabilere karbonatreiche DF Sabkha als langfristige Kohlenstoffsenke zu fungieren schien. Diese Ergebnisse unterstreichen die Bedeutung weiterer Forschung, einschließlich vergleichender Studien mit anderen Küstenökosystemen, Bewertungen von Kohlenstoffflüssen, Untersuchungen zu Auswirkungen des Klimawandels, Studien mikrobieller Gemeinschaften, Erforschung von Wiederherstellungstechniken und Integration der Ergebnisse in politische und Erhaltungsbemühungen. Die Durchführung solcher Forschungen ist von entscheidender Bedeutung, um das Potenzial dieser Ökosysteme zur Kohlenstoffspeicherung genau abzuschätzen und ihre entscheidende Rolle bei der Eindämmung des Klimawandels zu erkennen. Vor allem unterstreicht diese Studie die Dringlichkeit der Erhaltung dieser einzigartigen Küstenlebensräume, die durch die Stadtentwicklung bereits erheblich zerstört wurden.

Die während der aktuellen Studie verwendeten und/oder analysierten Datensätze sind auf Anfrage für jeden qualifizierten Forscher beim jeweiligen Autor erhältlich.

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Wir möchten Dr. Peter Kazak und Herrn Abdullah Alashraf vom Center for Advanced Materials (CAM-QU) für ihre Hilfe bei der XRD-Analyse danken. Wir danken den Mitarbeitern der Central Laboratories Unit (CLU-QU) des Environmental Science Center (ESC-QU) für ihre Unterstützung bei der Durchführung von ICP- und TOC-Analysen. Die Autoren danken Dr. Veerasingam Subramanian für seine sorgfältige Durchsicht der Studie.

Open-Access-Förderung durch die Qatar National Library. Diese Veröffentlichung wurde durch die Zuschüsse NPRP 12S-0313-19034 und NPRP NPRP13S-0207-20029 des Qatar National Research Fund (ein Mitglied der Qatar Foundation) ermöglicht. Die hier gemachten Angaben unterliegen der alleinigen Verantwortung der Autoren.

Environmental Science Center, Universität Katar, Postfach 2713, Doha, Katar

Zulfa Ali Al Disi, Khaled Naja, Sankaran Rajendran, Hadil Elsayed, Hamad Al Saad Al-Kuwari, Fadhil Sadooni, Maria Dittrich und Jassim Abdulla A. Al-Khayat

Biomedizinisches Forschungszentrum, Universität Katar, Postfach 2713, Doha, Katar

Khaled Naja

Biogeochemistry Group, Department of Physical and Environmental Sciences, University of Toronto Scarborough, 1065 Military Trail, Toronto, M1C 1A1, Kanada

Ivan Strakhov & Maria Dittrich

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ZA trug zur Konzeptualisierung bei, führte Untersuchungen durch, führte formale Analysen durch, erstellte Abbildungen und verfasste den Haupttext des Manuskripts. KN trug zur Konzeptualisierung bei, führte eine formale Analyse durch, bereitete Abbildungen vor und verfasste den Haupttext des Manuskripts. SR trug zur formalen Analyse bei, erstellte Abbildungen und verfasste den Haupttext des Manuskripts. ER führte Untersuchungen durch und überprüfte/bearbeitete das Manuskript. MD trug zur Konzeptualisierung und Methodenentwicklung bei und überprüfte/bearbeitete das Manuskript. IS hat das Manuskript überprüft/bearbeitet. HK sorgte für die Aufsicht und die Finanzierungsbeschaffung. FS trug zur Konzeptualisierung bei, leitete die Projektverwaltung und überprüfte das Manuskript. JK leitete die Projektverwaltung, sorgte für die Aufsicht, die Finanzierungsbeschaffung und überprüfte das Manuskript. Alle Autoren haben die endgültige Fassung des Manuskripts gelesen und genehmigt.

Korrespondenz mit Zulfa Ali Al Disi.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Al Disi, ZA, Naja, K., Rajendran, S. et al. Variabilität der Speicherung von blauem Kohlenstoff in der trockenen Verdunstungsumgebung zweier Küsten-Sabkhas oder Wattflächen. Sci Rep 13, 12723 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-39762-7

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Eingegangen: 09. Mai 2023

Angenommen: 30. Juli 2023

Veröffentlicht: 05. August 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-39762-7

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