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.