Doktorarbeit
Ecosystem-atmosphere exchange of carbon dioxide and water vapour in typical East-Asian croplands
Peng Zhao (07/2014-07/2014)
Betreuer: Johannes Lüers
Landwirtschaftliche Nutz ächen nehmen einen groÿen Teil der Landober äche der Erde ein. Im Hinblick auf den gegenwärtigen globalen Wandel steht vor allem das Ackerland als Ökosystem durch seinen Ein uss auf den Energie- und Stoaustausch zwischen Landober äche und Atmosphäre im Fokus. Diese Arbeit untersucht die Auswirkungen des Anbaus verschiedener Feldfrüchte auf den Austausch von Wärme, Wasser sowie Kohlendioxid zwischen Ober äche und Atmosphäre unter Berücksichtigung des Bewässerungsmanagements. Dabei wurden Verbesserungen am Penman-Monteith Modell zur Simulation der Verdunstung sowie an der gebräuchlichen Michaelis-Menten-Beziehung zwischen Photosyntese und Einstrahlung zur Modellierung der Kohlendioxid-Aufnahme der Kulturp anzen vorgenommen. Die Ergebnisse beruhen auf Messkampagnen, die 2010 und 2011 über einem bewässerten Reisfeld sowie einem unbewässerten Kartoelacker in einem landwirtschaftlich intensiv genutzten Gebiet auf der koreanischen Halbinsel durchgeführt wurden. Hierbei wurden der fühlbare Wärmestrom, die Verdunstung und der Netto-Ökosystem-Austausch (net ecosystem exchange) mit der Eddy-Kovarianz-Methode bestimmt, sowie zusätzliche meteorologische Standardgröÿen und Daten zur Biomasse erhoben.
Es konnte gezeigt werden, dass der übliche Ansatz bei Penman-Monteith, den stomatären Gesamtwiderstand als Widerstand des Einzelblattes, skaliert durch dem Blatt ächenindex zu parametrisieren, bei voll ausgebildetem Bewuchs im Kartoelfeld eine gute Abschätzung der Verdunstung (Evapotranspiration) liefert. Überwiegt aber die Evaporation, wie zum Beispiel über der stehenden Wasser äche des Reisfeldes, sowie über dem Kartoelacker bei geringem Bewuchs, ist der Blatt ächenindex kein geeigneter Parameter mehr. Dieses Problem kann behoben werden, wenn der stomatäre Widerstand durch meteorologische Gröÿen bestimmt wird.
Die Untersuchung der Photosynthese-Einstrahlungs-Beziehung zeigte, dass der Trend der Bruttoprimärproduktion während der Vegetationsperiode unter monsunischem Ein uss durch den Blatt ächenindex bestimmt wird. Dies wird in der gebräuchlichen Form der Beziehung nicht berücksichtigt. Durch standort-spezi sche Anpassung des Zeitfensters für die Bestimmung der Modellparameter können die Ergebnisse der Modellierung jedoch signi kant verbessert werden. Zur Modellierung längerer Zeiträume, wie es beim Füllen gröÿerer Datenl ücken notwendig ist, wird daher eine veränderte Blatt äche-Photosynthese-Einstrahlungs- Beziehung vorgeschlagen.
Eine Veränderung im Management der Bewässerung ruft eine signi kante Änderung im Austausch von Wärme, Wasser und Kohlendioxid hervor. Der unbewässerte Kartoelacker zeigt gegenüber dem bewässerten Reisfeld einen um 140% erhöhten fühlbaren Wärmestrom und eine um 30% verringerte Verdunstung, was in erster Linie auf eine Verringerung der Evaporation, nicht der Transpiration zurückzuführen ist. In der Summe über die Wachstumsperiode ist der Kohlendioxidaustausch auf dem Kartoelfeld geringer, und zwar um 12% für die Bruttoprimärproduktion, um 7% für die Respiration, und um 20% für den Netto-Ökosystem- Austausch. Während das Reisfeld über die gesamte Wachstumsperiode eine Kohlenstosenke darstellt, wandelt sich der Kartoelacker von einer Senke zu einer Quelle, sobald die oberirdische Biomasse abstirbt. Neben verringerter Globalstrahlung und den warmen Bedingungen während des Sommer-Monsuns wird der gezeigte Einbruch des Netto-Ökosystem-Austausches in der Mitte der Monsunzeit durch eine erhöhte Respiration aufgrund der hohen vorhandenen Biomasse, sowie der hohen Wachstumsraten verursacht.