Eddy-covariance measurements as a tool for ecological and hydrological studies on the Tibetan Plateau

Titelangaben

Biermann, Tobias:
Eddy-covariance measurements as a tool for ecological and hydrological studies on the Tibetan Plateau.
Bayreuth , 2014 . - Xi, 163 S.
( Dissertation, 2014 , Universität Bayreuth, Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften)

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Abstract

The environment of the Tibetan Plateau (TP) is regarded as one of the most sensitive
ecosystems of the world. However, investigations on effects caused by global climate
change or anthropogenic activities are rare due to its quite remote location. This
thesis deals with various aspects of the carbon and water cycle within ecological and
hydrological studies that can be assessed by measurements of turbulent fluxes with
the eddy-covariance (EC) method. This includes flux measurements over the most
common two vegetation types on the TP, Kobresia pygmaea pasture and alpine steppe.
In particular these in situ measurements were used to investigate differences in the
fluxes of grazed and ungrazed Kobresia pygmaea pasture at Kema in Naqu province
and moist and dry alpine steppe within the Nam Co basin. Additionally for the first
time on the TP direct flux measurements were conducted over a lake surface in the
same basin. Furthermore, these flux measurements were used to adapt and validate
land-surface models to be applied on the TP. Within the experiments a special focus
were measurements of latent heat flux during winter conditions on the TP, involving
side-by-side measurements with a LI-COR 7500 (LI-COR Biosciences) and a Krypton
Hygrometer KH20 (Campbell Sci. Ltd.). This comparison revealed that in general an
application of both sensors for an estimation of turbulent fluxes is possible but they
can not be used for measurements of absolute humidity concentrations. Furthermore,
this study showed the need for a thoroughly planned calibration procedure for gas
analyzers at long-term stations. Carbon fluxes measured over the Kobresia pygmaea
pastures were used for the estimation of short term effects of grazing cessation and to
gain a detailed look into the carbon cycle of this unique ecosystem. For this purpose the
EC derived fluxes were coupled with the results of a 13CO2 pulse labeling experiment.
With this quite novel approach it is possible to on the one hand estimate a more suitable
timing for the pulse labeling experiment and on the other hand to estimate absolute
C turnover in different compartments of the soil-plant-atmosphere continuum. These
results identified the unique root layer of Kobresia pygmaea as the most important part
of the pasture ecosystem. This is of great importance for the further conducted study
which estimated the effect of degradation on the carbon and water cycle within these
pastures with an interdisciplinary approach, which combined plot- and ecosystem scale
in situ measurements with land-surface-atmosphere models. A simulation of different
stages of degradation of the Kobresia pygmaea pastures and also a vegetation shift
to alpine steppe, showed that only an intact Kobresia pygmaea pastures acts as C
sink for the observation period within the main vegetation growing season. Although
evapotranspiration in general is not affected as strong as carbon exchange, a shift in the
ratio between evaporation and transpiration has a feedback on convection development
and precipitation which could be also shown with an atmospheric model.

Abstract in weiterer Sprache

Das Hochland von Tibet zählt zu den empfindlichsten Ökosystemen der Erde. Trotz
eines gesteigerten Interesse in den letzten Jahren ist es in Hinblick auf die möglichen
Veränderungen durch den globalen Klimawandel und zunehmende menschliche Aktivit
ät aufgrund seiner abgeschiedenen Lage ein immer noch relativ wenig erforschtes Gebiet.
Aus diesem Grund wurden turbulente Flüsse (Kohlenstoffaustausch und Verdunstung)
mit der Eddy Kovarianz Methode über unterschiedlichen Oberflächen auf dem
Hochplateau gemessen und so verschiedene Aspekten des Kohlenstoff- und Wasserkreislaufes
untersucht. Im Besonderen wurden hier die zwei dominanten Vegetationsformen,
alpine Steppe und Kobresia pygmaea-Weiden sowie zu ersten Mal auf dem Hochplateu
ein See untersucht. Im Nam Co Einzugsgebiet wurde der Einfluss von unterschiedlicher
Bodenfeuchte auf die Flüsse über alpiner Steppe gemessen und auch ein Vergleich
zwischen den Flüssen über Land und See angestellt. Die Messungen über den Kobre-
sia pygmaea-Weiden wurden genutzt, um den Effekt unterschiedlicher Beweidungesintensit
ät und Degradation zu untersuchen. Alle Messungen haben dazu beigetragen,
Modelle, welche die Austauschprozesse zwischen dem Ökosystem und der Atmosphäre
simulieren, an die Bedingungen des Hochplateaus anzupassen und deren Ergebnisse zu
validieren. Insbesondere wurde bei den Messungen ein Augenmerk auf die Bestimmung
des latenten Wärmestroms unter Winterbedingungen gelegt. Zu diesem Zweck wurde
eine Vergleichsmessung zwischen einem LI-COR 7500 (LI-COR Biosciences) und einem
Krypton Hygrometer KH20 (Campbell Sci. Ltd.) durchgeführt, mit dem Ergebnis, dass
beide Geräte zwar für den Einsatz zur Bestimmung von turbulenten Flüssen geeignet
sind, nicht jedoch für die Bestimmung des absoluten Feuchtegehalts der Atmosphäre.
Die Abweichung zwischen den Geräten macht auÿerdem deutlich, dass eine geeignete
Kalibrierprozedur nötig ist um eine fehlerfreie Bestimmung von Langzeit-Messreihen zu
gewährleisten. Neben diesen Untersuchungen über der alpinen Steppe wurden die Messungen
des Kohlenstoffaustausches in Kema dazu genutzt den Einfluss von Umzäunungen
und dem damit verbundene Beweidungsausschluss zu untersuchen. Jedoch konnte
auf der relativ kurzen Zeitskala seit Errichtung der Zäune kein Unterschied zwischen
den Flächen auf der Ökosystemskala festgestellt werden. Eine detailliertere Betrachtung
des Kohlenstoffumsatzes durch die Kopplung der EC Messungen mit einem 13CO2
Markierungsexperiments zeigte auch keinen Unterschied, jedoch konnten so zum ersten
Mal absolute Umsatzraten zwischen Boden, Pflanze und Atmosphäre gemessen werden.
Eine wichtige Erkenntnis hierbei war die Identifizierung des markanten Wurzelfilzes
der Kobresia pygmaea-Weiden als wichtigster Teil für den gesamten Kohlenstoffumsatz
im Ökosystem. Vor allem vor dem Hintergrund der Degradierung der Weiden,
der damit einhergehenden Zerstörung des Wurzelfilzes und der Funktion des Graslands
als potentieller Kohlenstoffspeicher ist dies von groÿer Bedeutung. Der Effekt dieser
Degradierung, und auch ein möglicher Wechsel der Vegetationsstruktur, wurde mit
Hilfe der zuvor angepassten Modelle simuliert. Diese Simulation zeigt, dass in der
untersuchten Vegetationsperiode nur eine intakte Kobresia pygmaea-Weide als Kohlenstoffspeicher dient, die Degradationsstufen sowie die alpine Steppe müssen jedoch als
neutral oder leichte Quellen angesehen werden. Während der Kohlenstoffaustausch
stark verändert wird ist bei der Verdunstung im Gesamten keine grosse Veränderung
zu beobachten, jedoch verschiebt sich das Verhältnis von Evaporations und Transpiration
stark. Dies hat wiederum hat, zusammen mit sich verändernden Oberflächen
Eigenschaften durch die Degradation, einen erheblichen Einfluss auf die Bildung von
Konvektion und Niederschlag, wie in einer Modellstudie gezeigt werden konnte.