Verbesserte Schätzungen von CO2- und N2O-Flussraten von Böden mitteleuropäischer Ökosysteme - Entwicklung konzeptioneller Neuerungen von Bodenemissionsmodellen

Better estimation of CO2 and N2O emissions in soils of middle European ecosystems

Im Zuge dreier Intensivmessperioden innerhalb des Projektverbundes VERTIKO (Vertikaltransporte von Energie und Spurenstoffen an Ankerstationen und ihre räumliche/zeitliche Extrapolation unter komplexen natürlichen Bedingungen) wurden in Melpitz (24.09.-12.10.2001), Lindenberg (03.06.-06.07.2002) und Tharandt (18.05.-23.05. und 08.06.-14.06.2003) simultane Messungen der N2O- und CO2-Emissionen aus Wiesen-, Acker- und Waldböden durchgeführt. Die Emissionsdaten wurden mit einem photoakustischen InfIm Zuge dreier Intensivmessperioden innerhalb des Projektverbundes VERTIKO (Vertikaltransporte von Energie und Spurenstoffen an Ankerstationen und ihre räumliche/zeitliche Extrapolation unter komplexen natürlichen Bedingungen) wurden in Melpitz (24.09.-12.10.2001), Lindenberg (03.06.-06.07.2002) und Tharandt (18.05.-23.05. und 08.06.-14.06.2003) simultane Messungen der N2O- und CO2-Emissionen aus Wiesen-, Acker- und Waldböden durchgeführt. Die Emissionsdaten wurden mit einem photoakustischen Infrarot-Monitor in geschlossenen Kammern erhoben. Die entwickelte automatische Steuereinrichtung erlaubte es 5 Kammern simultan als räumliche Replikate zu messen und ermöglichte damit den Einsatz unter geringem Personalaufwand. In Rahmen dieser Arbeit wurde an einer Kalibrierungskampagne in Hyytiälä / Finnland teilgenommen, in der sowohl das automatisierte Messsystem gegen einen Referenzgasfluss, als auch gegen 19 Kammersysteme anderer Forschungseinrichtungen verglichen wurde. Die Anwendbarkeit der Methode wurde durch den Vergleich bestätigt und im weiteren wurde für jedes System ein Kalibrierungsfaktor ermittelt, der einen Vergleich mit anderen Ergebnissen erlaubt. Die vorliegende Arbeit konnte weiterhin zeigen, dass verschiedene Messmethoden, Bodenkammermessungen und Eddy Kovarianz, auf einer Brache vergleichbare Resultate erzielen. Ein gewichtetes Footprintmodell ermöglichte den direkten Vergleich von CO2-Flüssen, die hauptsächlich aus dem Quellgebiet Brache emittiert wurden und daher wenig durch Senkenterme kontaminiert schienen. Zudem wurde die Einfluss der Nettoflüsse aus der benachbarten Wiesenfläche untersucht. Die Emissionshöhen von CO2 und N2O variierten stark zwischen verschiedenen Landnutzungstypen. Generell konnten für beide Gase auf Wiesen und landwirtschaftlich genutzten Böden höhere Emissionen als auf Waldböden gefunden werden. Auch innerhalb der Standorte war die zeitliche und räumliche Heterogenität hoch. Diese Arbeit entwickelte ein nichtlineares Regressionsmodell auf der Basis der gemessenen Flussraten zur Berechnung von CO2-Emissionen für verschiedene Landnutzungstypen, welches eine regionale Anwendung erlaubt. Neben Bodentemperatur und -wassergehalt als Parameter wurden der pH-Wert und die Wurzelmasse berücksichtigt. Als zusätzlicher und unerwarteter Parameter wurde der zeitlicher Abstand zu einem Regenereignis als Steuergröße identifiziert. Auch für N2O wurde ein nichtlineares Regressionsmodell (DenNit) für regionale Anwendungen entwickelt, das eine Abschätzung der N2O-Emissionen von Brachen, Wiesen und Wald mit lediglich 6 Faktoren (Bodentemperatur, Bodenwassergehalt, pH-Wert, Nitrat- und Ammonium-verfügbarkeit, zeitlicher Abstand zu einem Regenereignis) erlaubt. Im Anschluss wurden die entwickelten Modelle für den Zeitraum dreier Intensivmesskampagnen für die verschiedenen Landnutzungstypen angewendet und zeigten gute Übereinstimmungen mit publizierten Emissionsdaten anderer Arbeiten. Die Vorhersagbarkeit von Bodenatmungsraten und Lachgasemissionen mit den entwickelten Modellen konnte deutlich gesteigert werden.show moreshow less
Soil N2O and CO2 emissions of meadow soils, bare soils, and forest soil were measured in the course of three measuring campaigns, in Melpitz (24.09.-12.10.2001), Lindenberg (03.06.-06.07.2002), and Tharandt (18.05.-23.05. und 08.06.-14.06.2003) in the VERTIKO project (Vertical Transports of Energy and Trace Gases at Anchor Stations and Their Spatial and Temporal Extrapolation under Complex Natural Conditions). Measurements were taken with a photo-acoustic infrared monitor in closed chambers. A nSoil N2O and CO2 emissions of meadow soils, bare soils, and forest soil were measured in the course of three measuring campaigns, in Melpitz (24.09.-12.10.2001), Lindenberg (03.06.-06.07.2002), and Tharandt (18.05.-23.05. und 08.06.-14.06.2003) in the VERTIKO project (Vertical Transports of Energy and Trace Gases at Anchor Stations and Their Spatial and Temporal Extrapolation under Complex Natural Conditions). Measurements were taken with a photo-acoustic infrared monitor in closed chambers. A new computer-controlled automatic valve switching system developed during this thesis allowed simultaneous measurements of 5 spatial replicate chambers with low personal expenses. Within the scope of this study a comparison of the automated measuring system with a known flux and 19 other measuring systems was accomplished in a calibration campaign in Hyytiälä / Finland. The successful operating of the system used was confirmed in this comparison. Further on conversion factors for each system were produced to compare the results of different studies. The study showed that it is possible to combine soil chamber measurements and eddy covariance data. With the use of a weighted footprint model a comparison of the CO2-fluxes, mainly emitted from a bare soil, gave comparable results for both measurement approaches. The influence of a neighboring meadow on the bare soil was analysed to take into account the net ecosystem fluxes of the meadow. Both, the level of CO2 emissions and N2O emissions varied between the different landuse types. In general the meadow and bare soils showed higher CO2 and N2O fluxes than forest soils. For the individual stand there was a significant spatial and temporal flux heterogeneity. In this study a nonlinear regression model for the calculation of CO2 emission was adopted, allowing the use on different landuse types, and for the regional application. In addition to soil temperature and soil moisture the parameters pH and root mass were included in the model. As an unexpected parameter the time after a rain event was identified to affect the soil CO2 emission. For the regional application a nonlinear regression model (DenNit) was developed, allowing an estimation of the N2O-emissions of meadow, forest, and bare soils. Only 6 parameters (soil temperature, soil moisture, pH, nitrate and ammonia availability, and the time to the last rain) were needed as model input. Finally the models were applied for the periods of the measuring campaigns. All analysed landuse types were included in the test. The comparison of the results with flux data in the literature showed a good agreement. Predictions of soil respiration and emissions of nitrous oxides were improved.show moreshow less

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Metadaten
Institutes:Biologie
Author: Sascha Reth
Advisor:Prof. Dr. John Tenhunen
Granting Institution:Universität Bayreuth,Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften
Date of final exam:22.07.2004
Year of Completion:2004
SWD-Keyword:Distickstoffmonoxid; Emission; Kohlendioxid; Modell; Nichtlineare Regression
Tag:Boden
cabondioxide; dinitrogenoxide; emission; non-lineare-regression; soil
Dewey Decimal Classification:570 Biowissenschaften; Biologie
RVK - Regensburg Classification:WI 5020
URN:urn:nbn:de:bvb:703-opus-1024
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Date of Publication (online):03.08.2004