Ecosystem-atmosphere exchange of carbon dioxide and water vapour in typical East-Asian croplands

Titelangaben

Zhao, Peng:
Ecosystem-atmosphere exchange of carbon dioxide and water vapour in typical East-Asian croplands.
Bayreuth , 2014 . - XVI, 100 S.
( Dissertation, 2014 , Universität Bayreuth, Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften)

Volltext

	Format: PDF Name: Zhao_final.pdf Version: Veröffentlichte Version Verfügbar mit der Lizenz Creative Commons BY 3.0: Namensnennung
	Download (5MB)

Abstract

Agricultural areas comprise a large portion of the land surface of the earth. Under the current climate and environmental changes, the role of cropland ecosystems in the surface-atmosphere energy and matter exchange has drawn a lot of attention. This thesis investigated the potential change on ecosystem-atmosphere exchange of heat, water vapour and carbon dioxide if crop species planted or irrigation management is changed in croplands. Improvement of the Penman-Monteith model to simulate evapotranspiration and light-response model to simulate carbon dioxide flux for croplands is studied. Field campaigns were carried out in an irrigated rice field and a non-irrigated potato field in an intensively managed agricultural area in Korea Peninsula in 2010 and 2011. The eddy-covariance technique was used to observe net ecosystem carbon dioxide exchange and energy fluxes of sensible and latent heat with additional measurements of meteorological variables and biomass change. Results show that the conventional Penman-Monteith approach which estimates the stomatal resistance as a function of single leaf stomatal resistance and leaf area index performs well for the estimation of evapotranspiration when the vegetation is fully developed in the potato field. In the case of evaporation-dominated croplands, i.e. the rice field with standing water or the potato field with small leaf area index in this study, it is shown that the stomatal resistance should be estimated as a function of meteorological variables rather than leaf area index. The study on the light response function indicates that the primary cause of seasonal change in gross primary productivity was the change in leaf area index during the whole growing season under the summer monsoonal condition. Thus, a site-specific time window approach could significantly improve the model performance. In its standard form, however, the light response function does not account for leaf area index changes. In order to simulate longer time series, which is needed for filling large gaps in the observations, a new leaf-light response function is proposed. A significant change in ecosystem-atmosphere exchange of heat, water vapour and carbon dioxide is found if irrigation management is changed. The non-irrigated potato field had 140% more sensible heat and 30% less latent heat than the nearby irrigated rice field. The difference in evapotranspiration between these two fields was mostly attributed to less evaporation (rather than transpiration) in the potato field than in the rice field. The seasonal sum of carbon dioxide flux was 12% less for gross primary productivity, 7% less for ecosystem respiration, and 20% less for net ecosystem exchange in the potato field than in the rice field. The rice field acted as a sink of carbon dioxide through the whole season, while the potato field turned from a sink to a slight source at the late growing stage when the above-ground green biomass disappeared. Besides the decline in solar radiation and the warm conditions in summer monsoon, the enhancement of ecosystem respiration caused by the large amount and the rapid growth rate of the biomass is suggested to be a cause of the mid-season depression in net ecosystem exchange.

Abstract in weiterer Sprache

Landwirtschaftliche Nutzflächen nehmen einen großen Teil der Landoberfläche der Erde ein. Im Hinblick auf den gegenwärtigen globalen Wandel steht vor allem das Ackerland als ökosystem durch seinen Einfluss auf den Energie- und Stoffaustausch zwischen Landoberfläche und Atmosphäre im Fokus. Diese Arbeit untersucht die Auswirkungen des Anbaus verschiedener Feldfrüchte auf den Austausch von Wärme, Wasser sowie Kohlendioxid zwischen Oberfläche und Atmosphäre unter Berücksichtigung des Bewässerungsmanagements. Dabei wurden Verbesserungen am Penman-Monteith Modell zur Simulation der Verdunstung sowie an der gebräuchlichen Michaelis-Menten-Beziehung zwischen Photosyntese und Einstrahlung zur Modellierung der Kohlendioxid-Aufnahme der Kulturpflanzen vorgenommen. Die Ergebnisse beruhen auf Messkampagnen, die 2010 und 2011 über einem bewässerten Reisfeld sowie einem unbewässerten Kartoffelacker in einem landwirtschaftlich intensiv genutzten Gebiet auf der koreanischen Halbinsel durchgeführt wurden. Hierbei wurden der fühlbare Wärmestrom, die Verdunstung und der Netto-ökosystem-Austausch (net ecosystem exchange) mit der Eddy-Kovarianz-Methode bestimmt, sowie zusätzliche meteorologische Standardgrößen und Daten zur Biomasse erhoben. Es konnte gezeigt werden, dass der übliche Ansatz bei Penman-Monteith, den stomatären Gesamtwiderstand als Widerstand des Einzelblattes, skaliert durch dem Blattflächenindex zu parametrisieren, bei voll ausgebildetem Bewuchs im Kartoffelfeld eine gute Abschätzung der Verdunstung (Evapotranspiration) liefert. überwiegt aber die Evaporation, wie zum Beispiel über der stehenden Wasserfläche des Reisfeldes, sowie über dem Kartoffelacker bei geringem Bewuchs, ist der Blattflächenindex kein geeigneter Parameter mehr. Dieses Problem kann behoben werden, wenn der stomatäre Widerstand durch meteorologische Größen bestimmt wird. Die Untersuchung der Photosynthese-Einstrahlungs-Beziehung zeigte, dass der Trend der Bruttoprimärproduktion während der Vegetationsperiode unter monsunischem Einfluss durch den Blattflächenindex bestimmt wird. Dies wird in der gebräuchlichen Form der Beziehung nicht berücksichtigt. Durch standort-spezifische Anpassung des Zeitfensters für die Bestimmung der Modellparameter können die Ergebnisse der Modellierung jedoch signifikant verbessert werden. Zur Modellierung längerer Zeiträume, wie es beim Füllen größerer Datenlücken notwendig ist, wird daher eine veränderte Blattfläche-Photosynthese-Einstrahlungs-Beziehung vorgeschlagen. Eine Veränderung im Management der Bewässerung ruft eine signifikante änderung im Austausch von Wärme, Wasser und Kohlendioxid hervor. Der unbewässerte Kartoffelacker zeigt gegenüber dem bewässerten Reisfeld einen um 140% erhöhten fühlbaren Wärmestrom und eine um 30% verringerte Verdunstung, was in erster Linie auf eine Verringerung der Evaporation, nicht der Transpiration zurückzuführen ist. In der Summe über die Wachstumsperiode ist der Kohlendioxidaustausch auf dem Kartoffelfeld geringer, und zwar um 12% für die Bruttoprimärproduktion, um 7% für die Respiration, und um 20% für den Netto-ökosystem-Austausch. Während das Reisfeld über die gesamte Wachstumsperiode eine Kohlenstoffsenke darstellt, wandelt sich der Kartoffelacker von einer Senke zu einer Quelle, sobald die oberirdische Biomasse abstirbt. Neben verringerter Globalstrahlung und den warmen Bedingungen während des Sommer-Monsuns wird der gezeigte Einbruch des Netto-ökosystem-Austausches in der Mitte der Monsunzeit durch eine erhöhte Respiration aufgrund der hohen vorhandenen Biomasse, sowie der hohen Wachstumsraten verursacht.