CO2 and Isotope Flux Measurements above a Spruce Forest

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Ruppert, Johannes:
CO2 and Isotope Flux Measurements above a Spruce Forest.
Bayreuth , 2008
( Dissertation, 2009 , Universität Bayreuth, Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften)

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Abstract

The measurement of the turbulent carbon dioxide (CO2) exchange by the eddy covariance (EC) method has become a fundamental tool for the quantitative determination of the atmospheric CO2 net ecosystem exchange (NEE) and the investigation of the carbon mass balances of ecosystems. Such measurements require a high degree of quality control in order to prevent systematic errors. The determination of the annual sum of NEE and filling of data gaps is complicated by characteristic diurnal and seasonal variation in the governing gross flux components of assimilation, i.e. photosynthetic uptake of CO2, and respiration. In this dissertation, a set of criteria is suggested for the identification of high quality NEE data. They are applied to data obtained above a spruce forest in the Fichtelgebirge Mountains in Germany. The application of the quality criteria resulted in less systematic distribution of data gaps compared to a commonly applied criterion based on the friction velocity u-star measured above the canopy. The suggested method is therefore able to reduce the risk of double accounting of nighttime respiration fluxes and systematic error in the annual sum of NEE. The isotopic flux partitioning method can be applied to quantify the assimilation and respiration flux components. Especially above forest ecosystems, it requires isotope flux measurements with high analytical precision in order to resolve small gradients in the isotopic signature of the turbulent exchange. A conditional sampling instrument was developed and tested in laboratory and field experiments. By combining the hyperbolic relaxed eddy accumulation method (HREA), whole-air sampling and high precision isotope ratio mass spectrometry (IRMS), 13CO2 and CO18O isotopic flux densities (isofluxes) could be measured with an estimated uncertainty of 10-20% during a three day intensive measuring campaign of the field experiment WALDATEM-2003 (Wavelet Detection and Atmospheric Turbulent Exchange Measurements 2003). Thorough quality control was applied at all stages of the experiment, including the data evaluation. The sampling process and the assumption of similarity in the turbulent exchange characteristics of different scalars (scalar similarity) were assessed by simulation of HREA sampling based on high temporal resolution data of the turbulent energy and gas exchange. Above three different vegetation types, distinct diurnal changes of scalar similarity were observed and attributed to events on time scales longer than 60 s, which most likely represent changes in the source/sink strength or convective or advective processes. Poor scalar-scalar correlations indicate the risk of systematic underestimation of fluxes measured by HREA. There is some evidence for good scalar similarity and a generally linear relation between bulk CO2 mixing ratios and its isotopic signatures in the turbulent exchange. However, the slope of that relation was observed to change temporarily so that especially for the EC/flask method temporal and spatial scales represented in flask samples must carefully be considered. HREA isoflux measurements have a footprint similar to the footprint of EC measurements and are therefore able to integrate small-scale heterogeneity in ecosystems. CO2 mixing ratios and delta-13C and delta-18O isotopic signatures measured in updraft and downdraft whole-air samples allowed determining ecosystem integrated and truly flux weighted isotopic signatures of the atmospheric ecosystem gas exchange and ecosystem isotope discrimination Delta-e and Delta-E on half-hourly timescales. The observed diurnal variability demonstrates the need for their repeated high precision measurement at ecosystem scale for the evaluation of isotopic mass balances. For the isotopic flux partitioning method, additional data on the integrated canopy isotope discrimination Delta´-canopy from independent measurements or validated models is indispensable. An observed fast equilibration of isotopic disequilibria D13C and D18O between the assimilation and respiration fluxes may indicate that the successful application of the isotopic flux partitioning method is limited to short periods after significant environmental changes on the scale of few days.

Abstract in weiterer Sprache

Die Messung des turbulenten Kohlendioxidaustausches mit der Eddy Kovarianzmethode (EC) ist eine wichtige Methode für die quantitative Bestimmung des CO2 Netto-Ökosystem-Austausches (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-Flusskomponenten 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-Stern 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 (HREA) mit konservativer Luftprobenahme (whole-air sampling) und hochgenauer Isotopenverhältnis-Massenspektrometrie (IRMS) konnten 13CO2- und CO18O-Isotopenflussdichten (isoflux) gemessen werden. Die geschätzte Messunsicherheit während einer dreitägigen Intensivmesskampagne des Freilandexperimentes WALDATEM-2003 betrug 10-20%. 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 wahrscheinlich auf Änderungen in der Quellen- und Senkenstärke oder auf konvektive oder advektive Prozesse zurückzuführen sind. Eine Geringe Korrelation zwischen den Skalaren 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 die zeitlichen und räumlichen Skalen, die durch die Flaschenproben wiedergegeben werden, sorgfältig berücksichtigt werden. HREA Messungen der Isotopenflussdichte 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 delta-13C- und delta-18O-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 Delta-e und Delta-E 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 Delta´-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.