Ney, Patrizia: Partitioning of carbon dioxide exchange in rapidly and slowly changing ecosystems. - Bonn, 2019. - Dissertation, Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn.
Online-Ausgabe in bonndoc: https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:hbz:5n-56337
@phdthesis{handle:20.500.11811/8100,
urn: https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:hbz:5n-56337,
author = {{Patrizia Ney}},
title = {Partitioning of carbon dioxide exchange in rapidly and slowly changing ecosystems},
school = {Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn},
year = 2019,
month = nov,

volume = 476,
note = {Im Hinblick auf den aktuellen Klimawandel besteht die Frage, wie die Biosphäre auf den Globalen Wandel und die daraus hervorgehende lokale Landnutzungsänderung bezüglich ihres Kohlenstoffkreislaufes reagiert. Die Landoberfläche ist zum gegenwärtigen Zeitpunkt eine Senke für anthropogene Emissionen von Kohlenstoffdioxid (CO2), jedoch wird gleich-zeitig durch Landnutzungsänderungen zusätzliches CO2 freigesetzt. Nach wie vor ist nicht eindeutig geklärt, wie sensitiv die photosynthetische CO2-Aufnahme und die atmungsbedingte CO2-Freisetzung eines Ökosystems gegenüber Umweltparametern reagieren. Eine Möglichkeit, den vertikalen Fluss der Treibhausgase in ihre Quellen und Senken aufzuspalten, bietet das sogenannte Source-Partitioning. Hierbei werden z. B. vertikale CO2-Flüsse in Photosynthese und Respiration oder im Fall von Wasserdampfflüssen (H2O) in Evaporation und Transpiration aufgetrennt. Derzeitig existieren mehrere Ansätze und Verfahren für das Source-Partitioning, jedoch besitzt jede Methode auch gewisse Nachteile und läßt Raum für Erweiterungen und Verbesserungen. In dieser Arbeit wird zum einen ein Ansatz getestet, der sogenannte Zusatzmessungen benötigt und zum anderen eine analytische Partitionierungsmethode aufgegriffen. Beide Ansätze werden anhand von Fallbeispielen in Agrar- und Waldökosystemen demonstriert und untersucht.
Zuerst wird der Prototyp einer mobilen Liftanlage präsentiert, mit der zeitlich sowie räumlich hochaufgelöste Messung von CO2-, H2O-, Temperatur- und Windgeschwindigkeitsprofilen zwischen der Bodenoberfläche und der erdnahen atmosphärischen Grenzschicht über der Pflanzenoberfläche eines Ackers durchgeführt wurden. Die vertikale Verteilung der Konzentrationen von CO2 und H2O kann somit qualitativ für einen dichten Pflanzenbestand bestimmt werden. Dafür wurden zwischen Frühjahr 2015 und Herbst 2016 Kampagnenmessungen in Winterweizen, Wintergerste und einer Zwischenfruchtmischung während verschiedenen Stadien der Pflanzenentwicklung und zu unterschiedlichen Tageszeiten durchgeführt. Mit Hilfe eines Gasanalysators wurden kontinuierlich über eine Profilhöhe von 2 m die Konzentrationen mit einer Frequenz von 20 s-1 aufgezeichnet. Wir demonstrieren die Nachbearbeitung der Messungen (z. B. die Korrektur von Zeitverzögerungen) und zeigen die resultierenden vertikalen Profile als 30-minütige Mittel mit einer Auflösung von 0.025 m. Die Profile zeigen innerhalb des Planzenbestandes deutlich die Effekte der Bodenatmung und der photosynthetischen Kohlenstoffaufnahme, die sowohl innerhalb der Tageszeiten als auch während der Vegetationsperiode variieren. Mit Hilfe der Monin-Obukhov'schen Ähnlichkeitstheorie wurden Messungen über unbewachsenem Boden und einer niedrigen Pflanzendecke analysiert, um die Validität der Profilmessungen und der Rohdatenverarbeitung zu überprüfen. Die abgeleiteten Flüsse von CO2, latente und sensible Wärme und Impuls zeigen eine gute Übereinstimmung zu den parallel durchgeführten Eddy-Kovarianz-Messungen.
Während die Kohlenstoffbilanz einer Ackerfläche im Laufe einer Vegetationsperiode zwischen Quelle und Senke wechselt, dauert dieser Prozess in bewirtschafteten Waldökosystemen meist Jahrzehnte. Im Allgemeinen nehmen Wälder in Mitteleuropa im Jahresmittel mehr CO2 auf, als sie abgeben und stellen somit eine Senke für atmosphärisches CO2 dar. Diese Situation kann sich ändern, sobald ein Eingriff in das Waldökosystem stattfindet. Ein Extrembeispiel eines solchen Eingriffs sind flächenhafte Kahlschläge, die den Wald nach der Abholzung von einer ehemaligen Senke zu einer Quelle für CO2 umwandeln.
In dieser Arbeit präsentiert werden sieben Jahre CO2-Flussmessungen über einer rund 70 Jahre alten Fichten-Monokulturfläche im Nationalpark Eifel, von der rund 20% drei Jahre nach Beginn der Messung abgeholzt wurden. Ein Eddy-Kovarianz-System, das auf einem 37.8 m hohen Turm innerhalb des Waldes montiert wurde, erfasste kontinuierlich Flüsse sensibler und latenter Wärme, CO2 und Impuls. Nach der teilweisen Entfichtung wurde eine zweite EC-Station innerhalb der Entfichtungsfläche installiert und parallel zur Waldstation betrieben. Komplette Zeitreihen und jährliche Kohlenstoffbilanzen des Netto-Ökosystemaustauschs von CO2 (NEE) und seiner Komponenten Brutto-Primärproduktion (GPP) und Ökosystematmung (Reco) wurden mit Hilfe von Gapfilling- und Source-Partition-ing Methoden berechnet. Daneben wird die gemessene Bodenatmung berücksichtigt und dich sich gegenüberstehenden Klimaeffekte der durch die Entfichtung veränderten CO2-Sequestrierung und dem biophysikalischen Effekt der geänderten Albedo betrachtet.
Im Gegensatz zur abgeholzten Fläche zeigten die über dem Wald gemessenen jährlichen NEE-Summen eine starke Kohlenstoffsenke mit geringer zwischenjährlicher Variabilität. Ein Jahr nach der Entfichtung bestand die Vegetation auf der abgeholzten Fläche hauptsächlich aus Gräsern und Sträuchern; ab dem zweiten Jahr konnte ein vermehrter Zuwachs neuer Bäume (vorwiegend Eberesche) beobachtet werden. Die wiederaufkommende Vegetation spiegelte sich in den jährlichen Summen des NEE wieder, so entwickelte sich die Entfichtungsfläche von einer Kohlenstoffquelle (ca. 500 g C m-2 y-1) innerhalb der betrachteten vier Jahre aufgrund der Zunahme photosynthetischer Aktivitäten zunehmend zu einem CO2 neutralen Zustand.
Im anschließenden Kapitel wird die Kohlenstoffbilanz eines Ackers über eine drei Jahre andauernde Fruchtwechselfolge untersucht. Der Versuchsstandort Selhausen befindet sich in einer landwirtschaftlich intensiv genutzen Region innerhalb der Niederrheinischen Bucht. Rund 34% der Fläche Deutschlands war im Jahr 2015 durch Landwirtschaft genutzt (FAO, 2015). Die Fähigkeit von landwirtschaftlichen Flächen Kohlenstoff zu binden, aber auch zu emittieren, ist von großer Bedeutung für den lokalen und globalen Kohlenstoffkreislauf. Um eine lokale Kohlenstoffbilanz für ein Agrarökosystem aufstellen und modellieren zu können, benötigt man neben dem gemessenen vertikalen Netto-Ökosystemaustausch zusätzliche Informationen bezüglich seiner Zusammensetzung aus Brutto-Primärproduktion und Ökosystematmung. Die in Ökosystemstudien am häufigsten genutzten Partitionierung-Methoden sind die sogenannten datenbasierenden nichtlinearen Funktionen (NLR). Sie beschreiben den nichtlinearen Zusammenhang zwischen dem gemessenen NEE und Umgebungsvariablen wie Lufttemperatur oder solare Strahlung, die maßgeblich Atmungs- und Photosyntheseprozesse steuern. In der hier vorgestellten Studie wird für die Aufteilung der gemessenen NEE über einer 3-jährigen Fruchtwechselfolge, bestehend aus Winterweizen / Wintergerste / Zwischenfrucht und Zuckerrübe, der Ansatz einer reinen Nacht- (NT) und einer größtenteils Tagdaten (DT) basierenden NLR benutzt. Zusätzlich wurde ein eigener Algorithmus entwickelt und implementiert, der NLR ohne eine vorangehende Aufteilung in Tag- und Nachtdaten berechnet. Der Verlauf der saisonalen und zwischenjährlichen Flüsse von NEE, GPP und Reco zeigten typische Muster und Größenordnungen einer landwirtschaftlich genutzen Fläche innerhalb Mitteleuropas. Die kumulierten Tagessummen der NEE variierten je nach angebauter Frucht und Jahreszeit zwischen +10 und -14 g C m-2 d-1. Die höchste CO2-Aufnahme fand zwischen Mai und Juni im Winterweizen statt. Die höchsten Emissionen wurden nach der Ernte von Wintergerste beobachtet, wobei vermutlich untergepflügte Erntereste im Boden einen Anstieg der Bodenatmung durch Dekompositionsvorgänge begünstigt haben. Über die komplette Fruchtwechselfolge und bei reiner Betrachtung des vertikalen CO2-Flusses zeigte das Ökosystem, je nach verwendetem Partitionierungsmodell, eine Netto-CO2-Aufnahme von -1.3 bis -1,6 kg C m-2 und stellte somit eine Senke für Kohlenstoff dar. Werden zusätzlich zum NEE der Kohlenstoffeintrag und -austrag durch Sähen und Ernte, sowie die Emissionen aus Feldbewirtschaftungsmaßnahmen in der Kohlenstoffbilanzierung berücksichtigt, wird der Acker eine Kohlenstoffquelle (0.7 bis 1.0 kg C m-2).
Beim Vergleich der unterschiedlichen NLR fiel auf, dass die Anwendung, die ausschließlich auf Nachtdaten basiert, grundsätzlich höhere Werte der Ökosystematmung ermittelt, als die anderen verwendeten Methoden. So kam es in den kummulierten Flüssen zu Abweichungen von 16%, 6% und 15% zwischen NEE, GPP und Reco im Vergleich zwischen NT und DT. Geringer fielen die Unterschiede zwischen NT und der eigenen Methode aus. Auch andere Studien berichten von Diskrepanzen in der Partitionierung von NEE bei der Verwendung der oben beschriebenen Methoden. Diese und auch unsere Arbeit zeigen, dass weiterhin Forschungsbedarf hinsichtlich der Anwendung von Source-Partitioning besteht.},

url = {http://hdl.handle.net/20.500.11811/8100}
}

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