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Water management practices and anthropogenic carbon sources alter the patterns of CH4 and CO2 emissions from inland waters

  • Recent estimates have confirmed that inland waters emit a considerable amount of CH4 and CO2 to the atmosphere at the regional and global scale. But these estimates are based on extrapolated measured data and lack of data from inland waters in arid and semi-arid regions and carbon sources from wastewater treatment plants (WWTPs) as well insufficient resolution of the spatiotemporal variability of these emissions. Through this study, we analyzed monthly hydrological, meteorological and water quality data from three irrigation and drinking water reservoirs in the lower Jordan River basin and estimated the atmospheric emission rates of CO2. We investigated the effect of WWTPs on surrounding aquatic systems in term of CH4 and CO2 emission by presenting seasonally resolved data for dissolved concentrations of both gases in the effluents and in the receiving streams at nine WWTPs in Germany. We investigated spatiotemporal variability of CH4 and CO2 emission from aquatic ecosystems by using of simple low-cost tools for measuring CO2 flux and bubble release rate from freshwater systems. Our estimates showed that reservoirs in semi-arid regions are oversaturated with CO2 and acted as net sources to the atmosphere. The magnitude of observed fluxes at the three water reservoirs in Jordan is comparable to those from tropical reservoirs (3.3 g CO2 m-2 d-1). The CO2 emission rate from these reservoirs is linked to changes of water surface area, which is the result of water management practices. WWTPs have been shown to discharge a considerable amount of CH4 (30.9±40.7 kg yr-1) and CO2 (0.06±0.05 Gg yr-1) to their surrounding streams, and emission rates of CH4 and CO2 from these streams are significantly enhanced by effluents of WWTPs up to 1.2 and 8.6 times, respectively. Our results showed that both diffusive flux and bubble release rate varied in time and space, and both of emission pathways should be included and variability should be resolved adequately in further sampling and measuring strategies. We conclude that future emission measurements and estimates from inland waters may consider water management practices, carbon sources from WWTPs as well spatial and temporal variability of emission.
  • Aktuelle Schätzungen bestätigten, dass Binnengewässer eine erhebliche Menge Methan (CH4) und Kohlendioxid (CO2) sowohl auf regionaler Ebene, als auch global freisetzen. Jedoch basieren diese Schätzungen auf extrapolierten gemessenen Daten, ungenügender Auflösung der räumlich-zeitlichen Variabilität und es mangelt an Daten aus ariden und semi-ariden Gebieten, sowie den Kohlestoffquellen aus Kläranlagen. Für die hier vorliegende Studie analysierten wir monatliche hydrologische und meteorologische Daten sowie Daten zur Wasserqualität von drei Stauseen aus dem Gebiet des unteren Jordans, die zur Trinkwassergewinnung und zur Bewässerung genutzt werden, und schätzten damit deren Emissionsrate an CO2 ab. Wir untersuchten den Effekt von Kläranlagen auf die umliegenden Gewässer im Hinblick auf CH4 und CO2-Emissionen indem wir saisonal aufgelöste Daten der Konzentration der beiden gelösten Gase in Kläranlagenauslässen und in Vorflutern von neun Kläranlagen in Deutschland analysierten. Mithilfe von Low-Cost-Methoden die die CO2-Transportrate und die Ausgasungsrate über Gasblasen messen, untersuchten wir die räumliche und zeitliche Variabilität der CH4 und CO2-Emissionen von aquatischen Süßwasser-Ökosystemen. Unsere Schätzungen zeigen, dass Stauseen in semi-ariden Regionen CO2 übersättigt sind und somit CO2 an die Atmosphäre abgeben, also eine Netto-Quelle sind. Die Größenordnung der beobachteten Transportraten der drei jordanischen Stauseen ist vergleichbar mit denen von tropischen Stauseen (3,3 g CO2 m-2 Tag-1). Die CO2-Emissionsrate ist abhängig von Änderungen der Wasseroberfläche, welche durch den Betrieb der Stauseen verursacht sind. Kläranlagen entlassen eine beachtlichen Menge an CH4 (30.9±40.7 kg Jahr-1) und CO2 (0.06±0.05 Gg Jahr-1) in ihre umgebenden Flüsse und Bäche. Deren Emissionsraten sind durch diese Einleitung der Kläranlagen um 1,2-fach für CH4 oder 8,6-fach für CO2 erhöht. Unsere Ergebnisse zeigen, dass sowohl die diffusive als auch die Gasblasenemissionsrate räumlich und zeitlich variabel ist, weshalb beide Emissionsraten bei zukünftigen Studien auch in der nötigen Auflösung gemessen werden sollten. Wir schlussfolgern, dass bei zukünftigen Emissionsmessungen und –schätzungen von Binnengewässern auch die Gewässerbewirtschaftung, die Kohlenstoffquelle von Kläranlagen und die räumliche und zeitliche Variabilität der Emissionen beachtet werden sollten.

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Metadaten
Author:Zeyad Alshboul
URN:urn:nbn:de:kola-13109
Referee:Andreas Lorke, Hermann Jungkunst
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of completion:2016/04/12
Date of publication:2016/04/12
Publishing institution:Universität Koblenz-Landau, Universitätsbibliothek
Granting institution:Universität Koblenz-Landau, Campus Landau, Fachbereich 7
Date of final exam:2016/03/23
Release Date:2016/04/12
Number of pages:105, XIX
Institutes:Fachbereich 7
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 50 Naturwissenschaften
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