The use of Electrical Impedance Spectroscopy (EIS) soundings for peatlands investigations

Abstract

Trotz ihrer globalen Bedeutung als Kohlenstoffspeicher lassen sich die unterirdische Struktur und die biogeochemische Variabilität von Mooren mit traditionelle punktbasierten Probenahmen nur unzureichend erfassen. Die elektrische Impedanzspektroskopie (EIS) bietet die Möglichkeit, diese Einschränkungen durch eine zerstörungsfreie Charakterisierung der Mooreigenschaften zu überwinden. Bei Anwendung in einem tomografischen Ansatz ermöglicht die Methode eine räumlich quasi-kontinuierliche Charakterisierung.Diese Studie befasste sich mit drei miteinander verbundenen Zielen: der Bewertung des Einflusses der Messbedingungen auf die Datenqualität, der Charakterisierung der vertikalen und lateralen Variabilität der elektrischen Eigenschaften innerhalb einzelner Moorgebiete und der Identifizierung systematischer Unterschiede im elektrischen Verhalten zwischen verschiedenen Moorstandorten.EIS wurden in einer vertikalen Sondierungskonfiguration an vier verschiedenen Mooren in Österreich – Knoppenmoos, Rödschitzmoor, Ödenseemoor und Überlingmoos – mit einem tragbaren spektralen induzierten Polarisationsinstrument (PSIP) durchgeführt. Frequenzabhängige scheinbare spezifische Widerstandsspektren wurden mit Cole-Cole-Modellen analysiert, um die Frequenzabhängigkeit der Polarisationsparameter zu quantifizieren. Die Ergebnisse zeigen vertikal Veränderungen der elektrischen Eigenschaften, wobei sich flache Schichten durch Kontraste sowohl in der Widerstandsfähigkeit als auch in der Phasenantwort elektrisch von tiefer gelegenem Torf unterscheiden. Tiefenabhängige Trends in der normalisierten Aufladbarkeit und Relaxationszeit spiegeln Gradienten im Zersetzungszustand und in der Porenstruktur wider. Die laterale Variabilität innerhalb der einzelnen Moore unterscheidet sich deutlich zwischen den Mooren und hängt eng mit dem Moortyp, dem hydrologischen Regime und der Störungsgeschichte zusammen: Renaturierte ombrogene Hochmoore weisen eine hohe laterale Homogenität auf, während das gemischte Hoch-Niedermoor-System eine ausgeprägte Heterogenität zeigt. Die scheinbare Widerstandsgröße allein erwies sich als unzureichend zur Unterscheidung von Moortypen, wohingegen frequenzabhängige Parameter --- insbesondere die Impedanzphase, die normierte Aufladbarkeit und die Relaxationszeit --- ergänzende Informationen über den biogeochemischen Zustand des Torfs liefern. Diese Studie zeigt, dass EIS nicht-invasiv Unterschiede in den scheinbaren elektrischen und Polarisationseigenschaften auflösen kann, die mit Kontrasten im Torfabbaugrad und im hydrologischen Regime übereinstimmen, und damit punktbasierte Torfkernprobennahmen durch räumlich verteilte Untergrundinfomationen ergänzt.

Despite their global significance as carbon stores, the subsurface structure and biogeochemical variability of peatlands are poorly resolved by traditional point-based sampling. Electrical impedance spectroscopy (EIS) presents an opportunity to overcome these limitations through non-destructive characterization of peat properties. When applied in a tomographic framework, the method enables spatially quasi-continuous characterization.This study addresses three interconnected objectives: evaluating the influence of measurement settings on data quality, characterizing vertical and lateral variability in electrical properties within individual peatlands, and identifying systematic differences in electrical behavior between peatland sites.EIS measurements were conducted in a vertical sounding configuration across four distinct peatlands in Austria -- Knoppenmoos, Rödschitzmoor, Ödenseemoor and Überlingmoos -- using a portable spectra induced polarization (PSIP) instrument. Frequency-dependent electrical impedance magnitude and phase, converted to apparent complex resistivity via the geometric factor $K$, were analyzed using Cole-Cole models to extract polarization parameters.Results reveal vertical changes in electrical properties, with shallow layers electrically distinguishable from deeper peat though contrasts in both resistivity magnitude and phase response. Depth-dependent trends in normalized chargeability and relaxation time reflecting gradients in decomposition state and pore structure. Within individual peatlands, lateral variability in the EIS response corresponds to hydrological regime and disturbance history: restored ombrotrophic bogs exhibit high lateral homogeneity, while the mixed bog-fen system displays pronounced heterogeneity. Marked differences in electrical and polarization properties are further observed between peatland sites, consistent with contrasts in peatland type and ecological condition. Apparent resistivity magnitude alone proved insufficient to discriminate between peatland types, whereas polarization parameters and those describing its frequency dependence --- particularly impedance phase, normalized chargeability, and relaxation time --- provide complementary information about peat biogeochemical state. This study demonstrates that EIS can non-invasively resolve differences in apparent electrical and polarization properties that are consistent with contrasts in peat degradation state and hydrological regime, complementing point-based peat core sampling with spatially distributed subsurface information.