Carbon fluxes of an extensive meadow and attempts for flux partitioning

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Riederer, Michael:
Carbon fluxes of an extensive meadow and attempts for flux partitioning.
Bayreuth , 2016 . - 163 S.
( Dissertation, 2014 , Universität Bayreuth, Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften)

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Abstract

In times of climate change and increasing carbon dioxide concentrations, three questions arise for ecosystem sciences: At first, which ecosystems can contribute to mitigate those processes? Secondly, how will ecosystems react on the changing conditions? And finally, is the performance of our commonly applied research methods adequate under those complex and continuously changing environmental conditions? This thesis is integrated in the joint research project FORKAST which investigates those questions. Therefore, micrometeorological methods (Eddy-Covariance – EC, Relaxed Eddy Accumulation – REA), chamber measurements and isotopic methods are applied. First, the investigated area, an extensively managed grassland, was defined as a net carbon sink (–91 g C m–2 a–1) in 2010. Spring droughts on the site suggested comparing carbon allocation into shoots, roots, soil and respiration fluxes on drought and normal plots in a stable isotope pulse labeling experiment. An increase of carbon allocation by 6.2% to below ground pools as soil and roots and a reduction of shoot respiration by 8.5% due to spring drought were found. Gaining absolute values of carbon allocation, the relative portion, provided by pulse labeling and tracing, was set off the absolute carbon input into the ecosystem, obtained by EC-measurements of the net ecosystem carbon exchange in combination with model based partitioning of that into underlying assimilation and respiration flux. With the absolute carbon input of –7.1 g C m–2 d–1 and the relative allocation of the labeling, into fluxes of 2.5, 0.8, 0.5, 2.3 and 1.0 g C m–2 d–1 into shoots, roots, soil, shoot respiration and CO2 efflux could be determined.
Flux partitioning was also achieved by an isotopic approach, based on isoflux measurements with the REA-technique. However, certain restrictions for applying relaxed eddy accumulation on managed grassland were found: Scalar similarity could not be guaranteed directly after the management. It is suggested to wait at least 22 days in summer and 12 days in autumn after the management.
The chamber method was applied to validate the assimilation flux, provided by the common flux partitioning model. This was done during the day at time of turbulent atmospheric conditions. In a comparison experiment between the chamber and eddy-covariance a good agreement was found at that time. In the late afternoon and during night, the chamber could not reproduce present atmospheric conditions, as, for example, increasing stable stratification due to the oasis effect or coherent structures. This resulted in smaller chamber CO2 source fluxes of 26% during night and larger chamber CO2 sink fluxes of 14% during day. The chamber technique is important for small scale measurements (especially in treatment experiments). Thus, it is important to know the reasons for those differences to eddy-covariance.

Abstract in weiterer Sprache

Durch den Klimawandel und die steigenden CO2-Konzentrationen in der Atmosphäre stellen sich drei Fragen: Welche Ökosysteme können etwas zur Abschwächung dieser Prozesse beitragen? Wie werden die unterschiedlichen Ökosysteme auf die veränderten Bedingungen reagieren? Und reichen die gegenwärtig angewendeten Untersuchungsmethoden aus um die komplexen und sich ständig verändernden Umweltbedingungen angemessen erfassen zu können? Diese Arbeit befasst sich als ein Teil des Verbundprojektes FORKAST mit der Erforschung dieser Fragestellungen. Dafür werden mikrometeorologische Methoden (Eddy Kovarianz - EC, Relaxed Eddy Accumulation - REA), Kammermessungen, aber auch Isotopenanalysen eingesetzt und deren Ergebnisse verglichen und kombiniert. Für das untersuchte Extensivgrünland wurde 2010 eine Kohlenstoffsenkenfähigkeit von 91 g Kohlenstoff m–2 a–1 festgestellt. Die Tendenz zu Trockenheit im Frühjahr am Standort gab den Ausschlag für ein Markierungsexperiment mit dem stabilen Kohlenstoffisotop 13C. Künstlich ausgetrocknete Flächen wurden im Vergleich zu normalen Flächen auf ihre Kohlenstoffeinlagerung in Spross, Wurzeln, Boden und Spross- bzw. Bodenatmung hin untersucht. Die Frühjahrsdürrevariante zeigte einen Anstieg der Kohlenstoffverlagerung in Wurzeln und Boden um 6.2 % und einen Rückgang der Sprossatmung um 8.5 %. Um die Kohlenstoffverlagerung in Masseneinheiten angeben zu können, wurde die durch das Isotopenmarkierungsexperiment bestimmte relative Verlagerung mit der Masse an aufgenommenem Kohlenstoff verrechnet. Letztere betrug 7.1 g Kohlenstoff m–2 d–1 und konnte über die EC-Methode und eine modellbasierte Aufteilung des Netto-Ökosystemaustausches in seine Teilflüsse Assimilation und Respiration bestimmt werden. Es ergab sich ein Kohlenstoffeintrag von 2.5, 0.8, 0.5, 2.3 and 1.0 g Kohlenstoff m–2 d–1 in Spross, Wurzeln, Boden, Sprossatmung und Bodenatmung.
Die Aufteilung des Netto-Ökosystemaustausches wurde auch mit einem, auf Isotopenmessungen mit der REA-Methode basierendem Modell, durchgeführt. Deren Anwendung unterliegt jedoch auf extensiv bewirtschafteten Wiesenstandorten einer Einschränkung. Die erforderliche Skalare Ähnlichkeit, ist kurz nach einem Grasschnitt nicht gegeben. Nach den Erkenntnissen dieser Studie ist eine Anwendung der REA-Methode für 22 Tage im Sommer und 12 Tage im Herbst nach einem Grasschnitt nicht empfehlenswert.
Auch die Kammermethode wurde verwendet um den Assimilationsfluss aus dem Aufteilungsmodell zu überprüfen. Dieser Vergleich wurde während des Tages bei ausgeprägter atmosphärischer Turbulenz durchgeführt. Unter diesen Bedingungen wurde in einem Vergleichsexperiment zwischen der EC- und der Kammermethode die beste Übereinstimmung gefunden. Am späten Nachmittag und während der Nacht waren die Kammerergebnisse durch mangelhafte Abbildung der atmosphärischen Bedingungen verfälscht. Währen der Nacht wurden durch Kohärente Strukturen hervorgerufene Flüsse nicht erfasst und am späten Nachmittag wurde die frühe, durch den Oaseneffekt hervorgerufene, Stabilisierung der bodennahen Luftschichten unterschätzt. In der Folge bestimmte die Kammer nachts einen um 26 % geringeren und tagsüber einen um 14 % höheren CO2-Fluss.