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Doktorarbeit

CO2 and isotope flux measurements above a spruce forest

Johannes Ruppert (01/2002-02/2009)

Betreuer: Thomas Foken

Die Messung des turbulenten Kohlendioxidaustausches mit der Eddy Kovarianzmethode (eddy covariance, EC) ist eine wichtige Methode für die quantitative Bestimmung des CO2 Netto-Ökosystem-Austausches (net ecosystem exchange, NEE) und die Untersuchung von Kohlenstoffbilanzen von Ökosystemen geworden. Derartige Messungen erfordern intensive Qualitätskontrollen, um systematische Fehler zu vermeiden. Erschwert wird die Bestimmung der Jahressumme des NEE und das Füllen von Datenlücken durch die charakteristischen täglichen und jahreszeitlichen Schwankungen in den ausschlaggebenden Brutto-Fluss-komponenten der Assimilation, d.h. der Aufnahme von CO2 durch die Photosynthese, und der Respiration. In dieser Dissertation werden Kriterien vorgeschlagen nach denen NEE Daten mit hoher Qualität identifiziert werden können. Diese Kriterien werden auf NEE Daten angewendet, die über einem Fichtenwald im Fichtelgebirge in Deutschland gesammelt wurden. Die Anwendung der Qualitätskriterien ergab eine weniger systematische Verteilung der Datenlücken im Vergleich zur Anwendung eines häufig genutzten Kriteriums, das auf der Messung der Schubspannungsgeschwindikeit u über dem Bestand beruht. Die vorgeschlagene Methode ist deshalb in der Lage, das Risiko für eine doppelte Berücksichtigung nächtlicher Respirationsflüsse zu verringern und systematische Fehler in der Jahressumme des NEE zu vermeiden. Durch die Anwendung der Methode der Isotopenflusstrennung (isotopic flux partitioning method) können die Flusskomponenten der Assimilation und Respiration quantifiziert werden. Sie bedarf insbesondere in Waldökosystemen einer hohen analytischen Genauigkeit, damit kleine Gradienten der Isotopensignaturen im turbulenten Luftaustausch aufgelöst werden können. Für die austauschspezifische Probenahme (conditional sampling) wurde ein Instrument entwickelt und im Labor- und Freilandexperiment getestet. Durch die Kombination der hyperbolischen vereinfachten Eddy-Akkumulationsmethode (hyperbolic relaxed eddy accumulation, HREA) mit konservativer Luftprobenahme (whole-air sampling) und hochgenauer Isotopenverhältnis-Massenspektrometrie (isotope ratio mass spectrometry, IRMS) konnten 13CO2- und CO18O-Isotopenflussdichten (isofluxes) gemessen werden. Die geschätzte Messunsicherheit während einer dreitägigen Intensivmesskampagne des Freilandexperimentes WALDATEM-2003 (Wavelet Detection and Atmospheric Turbulent Exchange Measurements 2003) betrug 10-20%. Bei dem Experiment wurde auf allen Ebenen eine sorgfältige Qualitätskontrolle durchgeführt, die sich auch auf die Auswertung der Daten erstreckte. Durch Simulationen der HREA Probenahme auf der Grundlage zeitlich hochauflösender Daten des turbulenten Energie- und Gasaustausches wurde der Probenahmeprozess und die Annahme der Ähnlichkeit verschiedener Skalare bezüglich ihres turbulenten Austausches (scalar similarity) überprüft. Oberhalb von drei unterschiedlichen Vegetationstypen wurden ausgeprägte Änderungen der skalaren Ähnlichkeit beobachtet und mit Austauschprozessen in Verbindung gebracht, die länger als 60 s andauern und höchstwahrscheinlich auf Änderungen in der Quellen- und Senkenstärke oder auf konvektive oder advektive Prozesse zurückzuführen sind. Eine Geringe Korrelation zwischen den Skalaren (scalar-scalar correlation) deutet auf das Risiko einer systematischen Unterschätzung der Flüsse durch HREA Messungen hin. Es wurden Hinweise auf eine gute skalare Ähnlichkeit und eine grundsätzlich lineare Beziehung zwischen CO2-Mischungsverhältnissen und -isotopensignaturen im turbulenten Austausch gefunden. Jedoch unterlag die Steigung dieser linearen Beziehung zeitlichen Veränderungen. Deshalb müssen insbesondere für die EC/Flaschen-Methode (EC/flask method) die zeitlichen und räumlichen Skalen, die durch die Flaschenproben wiedergegeben werden, sorgfältig berücksichtigt werden. HREA Messungen der Isotopenflussdichte (isoflux) haben ein der EC Messung entsprechendes Quellgebiet (footprint) und sind deshalb geeignet, um kleinskalige Heterogenität in Ökosystemen zu integrieren. Die Messung von CO2-Mischungsverhältnissen und δ13C- und δ18O-Isotopensignaturen in konservativen Proben (whole-air samples) der aufwärtsbewegten und abwärtsbewegten Luft hat es ermöglicht, die Isotopensignaturen des Gasaustausches zwischen Ökosystem und Atmosphäre in richtiger Weise flussgewichtet und für das gesamte Ökosystem integrierend zu bestimmen. Dementsprechend konnte die Ökosystem-Isotopendiskriminierung Δe und ΔE auf einer halbstündlichen Zeitskala bestimmt werden. Schwankungen der Werte im Tagesverlauf zeigen, dass es notwendig ist, diese wiederholt und mit hoher Messgenauigkeit auf Ökosystemebene zu bestimmen, um Isotopen-Massenbilanzen auswerten zu können. Für die Methode der Isotopenflusstrennung sind zusätzliche Daten der integralen Isotopendiskriminierung Δ'canopy der Baumkrone erforderlich, die durch unabhängige Messungen oder validierte Modelle bestimmt werden müssen. Die Beobachtungen deuten auf eine schnelle Angleichung der Unterschiede der Isotopensignaturen (isotopic disequilibria) D13C und D18O des Assimilations- und Respirationsflusses hin. Die Anwendbarkeit der Methode der Isotopenflusstrennung scheint dadurch auf kurze Zeiträume von wenigen Tagen nach signifikanten Veränderungen in den Umweltbedingungen beschränkt zu sein.

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Letzte Änderung 24.03.2009