Determining the Role of Agro-Ecosystems in a Changing Climate : Quantification of CO2 exchange, Carbon allocation and Storage in the Main Agricultural Crops of South Korea

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Lindner, Steve:
Determining the Role of Agro-Ecosystems in a Changing Climate : Quantification of CO2 exchange, Carbon allocation and Storage in the Main Agricultural Crops of South Korea.
Bayreuth , 2016 . - XIX, 195 S.
( Dissertation, 2016 , Universität Bayreuth, Bayreuther Graduiertenschule für Mathematik und Naturwissenschaften - BayNAT)

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Abstract

Agro-ecosystems, particularly croplands currently constitute 12.6% of the total land area and their coverage is expanding due to the ongoing massive conversion of natural ecosystems into agricultural land, globally. Information regarding how these changes are influencing terrestrial carbon (C) balance is limited. Our current knowledge of CO2 fluxes and annual C budgets of the resulting croplands originate from extensive monocultural, agricultural landscapes. In most parts of the world, e.g. in Asia however, the agricultural landscapes are characterized by complex, multicultural cropping systems that demand novel approaches to quantify C balances of such croplands due to the challenges associated with the predominantly used CO2 measurement techniques. The use of portable chambers in this study, allowed direct measurements of net ecosystem exchange (NEE) of CO2, ecosystem respiration (Reco) and the evaluation of gross primary productivity (GPP) at small spatial scales (plot level), making it possible to key out functional differences of the 5 dominant crops (rice, potato, radish, cabbage and bean) in the Haean catchment of South Korea, which is a model Asian agricultural landscape.
In this multicultural agroecosystem, minimum peak Reco rate during the growing season was 3.8 ± 0.5 μmol m-2 s-1, measured in the rice paddies while the highest was 34.4 ± 4.3 μmol m-2 s-1 measured in the cabbage fields. The highest peak NEE and GPP rates were -38.7 ± 6.6 and 63.0 ± 7.2 μmol m-2 s-1, respectively, recorded in the cabbage fields. Parallel measurements conducted on the crops reported peak total biomasses of 0.53 ± 0.07, 0.55 ± 0.12, 1.85 ± 0.51, 2.54 ± 0.35 and 1.01 ± 0.26 kg m-2 for radish, cabbage, potato, rice and bean respectively, while the respective maximum leaf area indices (LAI) were 2.8, 3.7, 6.4, 6.3 and 6.7 m2 m-2. The pattern and magnitudes of biomass and LAI development differed among the major crops likely as a result of differences in planting time, light use efficiencies (α) and carbon allocation patterns. Variations in seasonal patterns, magnitudes and the timing of maximum NEE and GPP among the crops were the result of differences in LAI and α, while photosynthetic active radiation (PAR) explained more than 90% of the diurnal variations in GPP .
The crop production system also influenced C storage by an agroecosystem. For example, the maximum LAI attained under rainfed rice (RF) agriculture was 4.9 ± 0.5 m2 m-2 compared to 5.4 ± 1.1 m2 m-2 in the conventional paddy rice (PR) production system. The respective peak total aboveground biomasses were 2.16 ± 0.28 and 1.85 ± 0.27 kg m-2 while the corresponding grain weights were 1.16 ± 0.09 and 1.19 ± 0.10 kg m-2, amounting to total yields of 6.61 ± 0.22 and 5.99 ± 0.68 t/ha-1 for PR and RF, respectively. As long as there was no water stress, patterns of CO2 uptake and LAI development were similar between flooded and rainfed rice, suggesting that rice production may not be pegged on flooding per se. Paddy system, however, was less efficient in nutrient use. For example, when we applied similar nitrogen (N) amounts to rainfed and paddy rice fields, the rainfed rice showed higher leaf N content. Reasons for such differences were however, not clear. Overall, N input significantly influenced plant productivity, LAI development, C partitioning and leaf- and ecosystem level CO2 exchange. In rice, nutrient addition stimulated plant growth by a head start and an early burst in leaf area. An N−input of 115 kg N ha-1 increased aboveground biomass by 56%. This was also reflected in the grain yield, which increased by 58%. Fertilized rice developed higher proportion of leaves in the upper layers, increasing light interception and light use efficiency. Since LAI controlled GPP, the overall result was an increased CO2 uptake as a result of higher N-input.
The study demonstrated that the active period of atmospheric C uptake is extended in multicultural, agroecosystem landscape due to the staggered timing of maximum CO2 uptake among crops, thus offering an ecological advantage by prolonging the period of high CO2 uptake. Flooding agriculture (paddy) offered no economic advantage as long as soil moisture was not limiting, since similar yields were recorded. The fact that paddy rice had lower leaf N than rainfed rice suggests that some of the N in PR might have been lost into the atmosphere or seeped underground. Thus water logged cropping system could be a source of environmental pollution. Increased N-availability promoted productivity by an accelerated canopy development and increased LAI, enabling higher PAR absorption throughout the season.
In general, increasing respiration losses (CO2) alongside high productivity and significant CO2 emissions during the fallow season could nevertheless result in a long-term net C release and, therefore, lower the carbon mitigation potential of croplands. Although N-fertilization increased productivity and carbon gain capacity, an N surplus can lead to negative environmental impacts through surface and groundwater pollution.

Abstract in weiterer Sprache

Agrarökosysteme, insbesondere Feldkulturflächen bedecken derzeit 12,6% der gesamten weltweiten Landfläche und unterliegen derzeit einer fortlaufenden Ausbreitung auf Kosten einer massiven Umwandlung natürlicher Ökosystemen in Ackerland.
Informationen über den Einfluss dieser Änderungen auf die global-terrestrische Kohlenstoff−(C)−Bilanz sind weiterhin begrenzt. Unsere bisherigen Kenntnisse über CO2−Flüsse und jährlichen Kohlenstoffbudgets der entstandenen Kulturflächen stammen von großflächigen, monokulturell bewirtschafteten Agrarflächen. Der Großteil der agrarwirtschaftlich genutzten Flächen auf der Erde, zum Beispiel in Asien, sind jedoch charakterisiert durch komplexe, multikulturelle landwirtschaftliche Systeme und es bedarf differenzierter Methoden, um die Kohlenstoffbilanzen solcher Kulturflächen zu quantifizieren. Die in der vorliegenden Studie verwendeten mobilen Messkammern erlaubten eine direkte Messung des Netto-Ökosystemaustausches (NEE) von CO2, der Ökosystemrespiration (Reco) und die Berechnung der Bruttoprimärproduktion (GPP) von kleinen Arealen (Plot-Flächen), um funktionelle Unterschiede der fünf dominanten Nutzpflanzen (Reis, Kartoffel, Rettich, Kohl und Bohne) im Haean-Gebiet in Süd-Korea, repräsentativ für asiatische Agrarlandschaften, zu ermitteln.
In diesem multikulturellen Agrarökosystem, wurde die geringste maximale Ökosystemrespirations-Rate während der Wachstumsperiode mit 3,8 ± 0,5 μmol m-2 s-1 in Nassreis und die maximale Reco-Rate von 34,4 ± 4,3 μmol m-2 s-1 in Kohlfeldern gemessen. Die höchsten maximalen NEE und GPP-Raten wurden mit -38,7 ± 6,6 und 63,0 ± 7,2 μmol m-2 s-1 in Kohlfeldern ermittelt. Die parallelen Messungen des maximalen Blattflächenindexes (LAIs) ergaben für Rettich, Kohl, Kartoffel, Reis und Bohne entsprechend 2,8; 3,7; 6,4; 6,3 und 6,7 m2 m-2. Die Verteilung und Größe der Biomasse sowie die Blattflächenentwicklung unterschieden sich zwischen den Nutzpflanzen hauptsächlich aufgrund unterschiedlicher Pflanzzeiten, Lichtnutzungseffizienzen (α) und Kohlenstoffallokationen. Schwankungen in der saisonalen Verteilung, Betrag und Zeitpunkt des Auftretens des maximalen NEE und GPP zwischen den Nutzpflanzen waren das Resultat unterschiedlicher LAI und α, wohingegen die photosynthetisch aktive Strahlung (PAR) mehr als 90% der täglichen Schwankungen der GPP erklärten.
Das landwirtschaftliche Anbausystem beeinflusste ebenfalls die pflanzliche Kohlenstoffspeicherung. Zum Beispiel war der maximale LAI von Trockenreis (RF) bei ausschließlicher Bewässerung durch Niederschläge 4,9 ± 0,5 m2 m-2, im Vergleich zu 5,4 ± 1,1 m2 m-2 in konventioneller Nassreis-Kultivierung (PR). Die maximale oberirdische Biomasse (Trockengewicht) betrug 2,16 ± 0,28 und 1,85 ± 0,27 kg m-2, wohingegen das Korngewicht 1,16 ± 0,09 und 1,19 ± 0,10 kg m-2 bei einem Gesamtertrag von 6,61 ± 0,22 und 5,99 ± 0,68 t/ha-1, entsprechend für PR und RF, betrug. Die CO2-Aufnahme und die Entwicklung des LAI zeigte zwischen PR und RF einen ähnlichen Verlauf bei angemessener Wasserversorgung; dadurch wurde der Reisanbau nicht nur auf geflutete Felder beschränkt. Es wurde jedoch durch die Flutung des agrarwirtschaftlichen Systems, im untersuchten Beispiel bei Nassreis eine verringerte Stickstoff-(N)-Nutzung sichtbar. So wurden in unserem Versuch die gleiche Menge an Stickstoffdünger im RF und PR Feld ausgebracht, wobei der Trockenreis letztendlich einen höheren Blattstickstoffgehalt zeigte. Ein klarer Grund für diesen Unterschied konnte jedoch in dieser Studie nicht festgestellt werden. Insgesamt beeinflusste allerdings eine erhöhte Stickstoffzugabe die Produktivität der Nutzpflanzen, die Blattflächenentwicklung, Kohlenstoffallokation und den Blatt- und Ökosystem- CO2−Gaswechsel. Das Wachstum von Reis wurde durch die Nährstoffzugabe gefördert, insbesondere durch eine frühere und stärkere Entwicklung der Blattfläche. Eine Stickstoffzugabe von 115 kg N ha-1 erhöhte die oberirdische Biomasse um 56%. Zugleich ergab sich eine von 58%. Gedüngter Reis entwickelte einen höheren Anteil an Blättern in den oberen Bestandsschichten und zeigte eine erhöhte Strahlungsaufnahme und Lichtnutzungseffizienz. Da die GPP stark abhängig vom LAI war, ergab sich letztendlich eine erhöhte CO2-Aufnahme als Folge der gesteigerten Stickstoffzugabe.
Diese Studie demonstrierte, dass der Zeitraum für eine aktive Aufnahme an atmosphärischem Kohlenstoff in einer multikulturellen Agrarlandschaft durch ein Aufeinanderfolgen der Perioden mit maximaler CO2-Aufnahme der entsprechenden Nutzpflanzen verlängert wurde und bietet daher einen ökologischen Vorteil durch einen verlängerten Zeitraum mit hoher CO2-Aufnahme.
Nassreiskultivierung in Feldern mit gefluteten Böden zeigte keinen ökonomischen Vorteil gegenüber dem Trockenreisanbau, solange die Bodenfeuchte keinen limitierenden Einfluss hatte, da sich die Erträge in beiden Systemen (PR und RF) wenig unterschieden. Der Nassreis entwickelte jedoch im Vergleich zum Trockenreis einen geringeren Stickstoffgehalt in den Blättern und weist daher auf einen Verlust von N in die Atmosphäre oder den Boden hin. Daher können geflutete Agrarökosysteme eine Ursache für Umweltverschmutzung darstellen. Die erhöhte Stickstoffversorgung begünstigte die Produktivität durch eine beschleunigte Entwicklung des Bestandes und Bildung eines höheren LAI, wodurch eine größere Lichtabsorption während der gesamten Vegetationsperiode ermöglicht wurde.
Allgemein lässt sich sagen, dass gesteigerte respiratorische Verluste (CO2) bei erhöhter Produktivität und signifikanter CO2-Emissionen während der Brache jedoch das Kohlenstoff- Minderungspotenzial von landwirtschaftlichen Flächen verringern könnten. Zwar steigert die Stickstoffdüngung die Produktivität und Kohlenstoffaufnahmekapazität, ein Stickstoffüberschuss führt jedoch zu negativen Einflüssen auf die Umwelt durch Oberflächen- und Grundwasserverschmutzung.