Doktorarbeit
Untersuchung zum Kohlendioxid-Austausch über einem Fichtenwaldbestand auf der Grundlage von Hyperbolic-Relaxed-Eddy-Accumulation Messungen für das stabile Kohlenstoffisotop 13C und von Wavelletanalysen
Bodo Wichura (09/1998-02/2009)
Betreuer: Thomas Foken
Auf der Grundlage kombinierter Messungen turbulenter Flüsse des stabilen Kohlenstoffisotops 13C und von Kohlendioxid (CO2) werden die Prozesse und Mechanismen des CO2-Austauschs sowie die Möglichkeiten für eine Separation von Einzelkomponenten der Netto-CO2-Bilanz auf Ökosystemebene (Photosynthese und Atmung) für ein Waldökosystem untersucht. Mit Hyperbolic-Relaxed-Eddy-Accumulation (HREA) Messungen wurden im Verlauf von zwei Messkampagnen in den Jahren 1999 und 2000 die -Isotopenverhältnisse des stabilen Kohlenstoffisotops 13C für auf- und abwärtsgerichtete Austauschereignisse und die turbulenten 13CO2-Iso-Flüsse über einem Fichtenwaldbestand am Messstandort Waldstein/Weidenbrunnen ermittelt. Die -Isotopenverhältnisse der HREA-Proben für auf- und abwärtsgerichtete Austauschereignisse ergaben Differenzen zwischen 0,168 ‰ und -0,143 ‰ (1999) sowie 0,391 ‰ und -0,132 ‰ (2000). Die gemessenen 13CO2-Iso-Flüsse lagen zwischen 1082 mol‰m-2s-1 und -170 mol‰m-2s-1 im Jahr 2000. Für die Durchführung der 13CO2-Iso-Flussmessungen wurde ein HREA-Messsystem entwickelt. Die HREA-Messmethode, das 13CO2-HREA-Messystem und die Messergebnisse werden beschrieben und diskutiert. Die Diskussion der 13CO2-HREA-Messergebnisse unter Berücksichtigung der CO2-Flüsse und der CO2-Profile belegt, dass der Kohlendioxid-Austausch über einem Fichtenwaldbestand das Resultat der Überlagerung von unterschiedlichen Prozessen und Mechanismen ist. Die Änderung der atmosphärischen und/oder metabolischen Randbedingungen beeinflusst sowohl den turbulenten Austausch zwischen Bestand und Atmosphäre (Kopplung/Entkopplung des turbulenten Austauschs von CO2 zwischen Bestand und Atmosphäre, CO2-Speicherwirkung des Bestands) als auch den Metabolismus des Ökosystems (Assimilation, Respiration) und führt je nach Parameterkombination zu unterschiedlichen Ergebnissen im CO2-Austausch. Die Mechanismen des CO2-Austauschs zwischen dem Ökosystem und der Atmosphäre werden mit Hilfe von Waveletanalysen studiert. Die Entwicklung und die Existenz kohärenter Strukturen werden nachgewiesen. Der Median der Wellenlängen zwischen aufeinanderfolgenden kohärenten Wirbeln für die Zeitreihen des Vertikalwindes während der Messkampagne 2000 betrug 110 m. Legt man dagegen die Zeitreihen der CO2-Dichte zugrunde, dann ergab sich ein Median von 832 m. Dieses Resultat weist darauf hin, dass die Austauschvorgänge für Impuls und CO2 zeitweise voneinander entkoppelt ablaufen. Es wird gezeigt, dass der turbulente CO2-Austausch zwischen Fichtenwaldbestand und Atmosphäre nur zeitweise mit Skalen verbunden ist, die auf die Ausbildung einer Mischungsschicht schließen lassen. Die Informationen der Waveletanalysen machen eine konsistente Interpretation der Resultate der CO2- und 13CO2-Iso-Flussmessungen möglich. Durch die vergleichende Betrachtung der 13CO2-HREA-Messergebnisse mit den Resultaten der CO2-Flüsse, der CO2-Profile und der Waveletanalysen werden vier Mechanismen identifiziert, mit denen der CO2-Austausch zwischen Ökosystem und Atmosphäre beschrieben werden kann: Der Austausch findet außerhalb (1), (3), (4) oder innerhalb (2) einer Mischungsschicht statt. Der Austausch für Impuls und CO2 findet in unterschiedlichen (1), (3) oder in vergleichbaren (2), (4) Längenskalen statt. Ausgehend von der Analyse der Massenbilanzgleichungen für 13C und CO2 werden die Grundlagen für die Auswertung kombinierter 13CO2- und CO2-Flussmessungen abgeleitet. Damit wird ein methodischer Ansatz bereitgestellt, um auf der Grundlage von gleichzeitig durchgeführten 13CO2- und CO2-Flussmessungen zusätzlich zur Quantifizierung der Netto-CO2-Bilanz auf Ökosystemebene auch eine Separation ihrer Einzelkomponenten, d. h. der Nettoassimilation und der Nettorespiration, vorzunehmen.