Doktorarbeit
Carbon fluxes of an extensive meadow and attempts for flux partitioning
Michael Riederer (06/2009-03/2014)
Betreuer: Thomas Foken
Durch den Klimawandel und die steigenden Kohlendioxidkonzentrationen in der Atmosphäre stellen sich den Umweltwissenschaftlern drei entscheidende Fragen: Welche Ökosysteme können einen Betrag zu Abschwächung dieser Prozesse leisten? Wie werden die unterschiedlichen Ökosysteme auf die veränderten Bedingungen reagieren? Und reichen die gegenwärtig angewendeten Untersuchungsmethoden aus um die komplexen und sich ständig verändernden Umweltbedingungen angemessen erfassen zu können?
Diese Arbeit befasst sich als ein Teil des Verbundprojektes FORKAST mit der Erforschung dieser Fragestellungen. Die Rolle von Wiesen als Kohlenstoffquelle oder - senke ist derzeit nicht klar definiert, wobei zumindest extensiv bewirtschafteten Wiesen in Mitteleuropäischen Mittelgebirgen eine Senkenfähigkeit zugesprochen wird.
Zwei Forschungsansätze prägen die Umweltwissenschaften in Bezug auf den Kohlenstoffkreislauf. Mikrometeorologische Methoden wie die Eddy Kovarianz Methode bieten eine Art Überblick aus der Atmosphäre, während sich die Boden- und Agrarwissenschaften über Isotopenanalysen eine Innenansicht des Ökosystems verschaffen. Die Vorzüge beider Forschungsfelder werden in dieser Arbeit gekoppelt.
Der erste Schritt war die eindeutige Definition des zu untersuchenden Extensivgrünlandes als Kohlenstoffsenke. Die Kohlenstoffaufnahme betrug im Untersuchungsjahr 2010 91 g Kohlenstoff m–2 a–1. Zusätzlich wurde eine Zeitreihe über 40 Jahre mit Niederschlagsdaten ausgewertet, welche für das Untersuchungsgebiet eine steigende Tendenz zu Frühjahrstrockenheit aufzeigten. In April und Mai wurde eine Gesamtabnahme der Niederschläge um 21 mm festgestellt.
Auf Grund dieser Erkenntnis sollte die Reaktion des Kohlenstoffkreislaufes untersucht werden. Eine 1000-jährige Frühjahrsdürre (d.h. 38 Tage ohne Niederschlag) wurde auf den Forschungsflächen künstlich erzeugt. Anschließend wurde die Kohlenstoffeinlagerung in Spross, Wurzeln, Boden und Spross- bzw. Bodenatmung auf diesen Flächen mit der unter normalen Niederschlagsbedingungen verglichen, wofür ein Markierungsexperiment mit dem stabilen Kohlenstoffisotop 13C durchgeführt wurde. Die Frühjahrsdürrevariante zeigte XV einen Anstieg der Kohlenstoffverlagerung in Wurzeln und Boden um 6.2 % und einen Rückgang der Sprossatmung um 8.5 %.
Um die Kohlenstoffverlagerung in Masseneinheiten angeben zu können, wurde die durch das Isotopenmarkierungsexperiment bestimmte relative Verlagerung mit der Masse an aufgenommenem Kohlenstoff verrechnet. Letztere betrug 7.1 g Kohlenstoff m–2 d–1 und konnte über die Eddy Kovarianz Methode und eine modellbasierte Aufteilung des NettoÖkosystemaustausches in seine Teilflüsse Assimilation und Respiration bestimmt werden. Es ergab sich ein Kohlenstoffeintrag von 2.5, 0.8, 0.5, 2.3 and 1.0 g Kohlenstoff m–2 d–1 in Spross, Wurzeln, Boden, Sprossatmung und Bodenatmung.
Die Aufteilung des Netto-Ökosystemaustausches in die ihm zugrundeliegenden Flüsse ist in den Umweltwissenschaften von großer Bedeutung und kann auf unterschiedliche Weise bewerkstelligt werden. Die Ergebnisse des üblicherweise dafür angewendeten Modells nach Lloyd-Taylor und Michaelis-Menten wurden mit Messungen mit dunklen und transparenten Kammern und mit einem, auf Isotopenmessungen mit der Relaxed Eddy Accumulation Methode basierendem Modell, verglichen.
Das letztgenannte Vergleichsexperiment machte die fehlende Sensitivität des üblicherweise verwendeten Aufteilungsmodells für kurzfristige Wetterveränderungen und die entsprechenden Reaktionen des Ökosystems, deutlich. Das auf Isotopenmessungen basierende Modell berücksichtigt hingegen die Isotopendiskriminierung des Ökosystems und somit alle damit verbundenen Prozesse. Die Probleme bei der Anwendung, die auf Messflächen im Wald bekannt sind, traten auf dem Wiesenstandort nicht auf.
Zudem bestätigten die 13CO2 Isoflussmessungen mit der Relaxed Eddy Accumulation Methode, dass der Anteil an 13CO2 am Gesamtfluss und somit der Einfluss auf Isotopenmarkierungsexperimente vernachlässigbar ist.
Die Anwendung der Relaxed Eddy Accumulation Methode unterliegt jedoch auf extensiv bewirtschafteten Wiesenstandorten einer nicht zu unterschätzenden Einschränkung. Eine wichtige Voraussetzung für eine korrekte Flussbestimmung, die sogenannte Skalare Ähnlichkeit, ist kurz nach einem Grasschnitt nicht gegeben. Nach den Erkenntnissen dieser Studie ist eine Anwendung der Relaxed Eddy Accumulation Methode für 22 Tage im Sommer und für 12 Tage im Herbst nach einem Grasschnitt nicht empfehlenswert. Diese X VI Zeit hat das Ökosystem benötigt um die normalerweise vorliegende Quellen- und Senkenverteilung für Wasserdampf, CO2 und Wärme wiederherzustellen.
Die Kammermethode wurde verwendet um den Assimilationsfluss aus dem Aufteilungsmodell zu überprüfen. Dieser Vergleich wurde während des Tages bei ausgeprägter atmosphärischer Turbulenz durchgeführt. Unter diesen Bedingungen wurde in einem Vergleichsexperiment zwischen der Eddy Kovarianz- und der Kammermethode die beste Übereinstimmung gefunden. Am späten Nachmittag und während der Nacht waren die Kammerergebnisse durch mangelhafte Abbildung der atmosphärischen Bedingungen verfälscht. Währen der Nacht wurden durch Kohärente Strukturen hervorgerufene Flüsse nicht erfasst und am späten Nachmittag wurde die frühe, durch den Oaseneffekt hervorgerufene, Stabilisierung der bodennahen Luftschichten unterschätzt. In der Folge bestimmte die Kammer nachts einen um 26 % geringeren und tagsüber einen um 14 % höheren CO2-Fluss. Für Messungen im kleinskaligen Bereich, zum Beispiel auf speziell behandelten Flächen, ist die Kammermethode nicht zu ersetzen. Deshalb ist es unerlässlich die Unterschiede zur Eddy Kovarianz Methode und deren Ursachen zu kennen.