Assessment of grassland ecosystem functioning: Carbon dioxide exchange and the dynamics of carbon and nutrient pools in temperate and Mediterranean grasslands

Titelangaben

Mirzaei, Heydar:
Assessment of grassland ecosystem functioning: Carbon dioxide exchange and the dynamics of carbon and nutrient pools in temperate and Mediterranean grasslands.
Bayreuth , 2008
( Dissertation, 2008 , Universität Bayreuth, Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften)

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Abstract

The objectives of this study were to examine the influence of environmental variables, extreme weather events, management methods and ecosystem heterogeneity on grassland ecosystem functioning in the context of the variables CO2 exchange, nutrient dynamics, production, nitrogen and carbon pools. Two sites were selected in Central Europe, to represent temperate grassland, namely a grassland at Grillenburg and a controlled experimental grassland in the Botanical Garden of the University of Bayreuth, (both located in Germany) and additionally one site at Herdade da Mitra, Portugal, was studied as Mediterranean grassland. In the temperate grassland mowing reduced the leaf area index (LAI) as well as the biomass, with a subsequent impact on the overall assimilatory capacity of the grassland ecosystem. The pattern of root biomass development reflected seasonal variations in temperature and rainfall as well as the growth of the aboveground biomass showing peak root mass between DOY 180 and 210. Cutting increased the foliar N concentration, which came as a result of increased demand for N in the regenerating fresh tissue after the cut. During winter and early spring daily rates of net carbon exchange were low and the balance between net ecosystem CO2 exchange (NEE) and respiration was nearly zero. The gross primary productivity (GPP) at the cut site was higher than at the uncut site due to vegetation recovery at the former and senescing leaves at the latter site. Results from the artificially created grassland showed that drought altered the carbon fluxes in the grassland ecosystems without significantly changing the aboveground biomass production. A possible consequence of drought in these grass species could be an increase in the LAI due to shifts in aboveground carbon allocation from reproductive to vegetative structures. The results showed a crucial role played by species composition in regulating carbon fluxes and ecosystem productivity. The more diverse community exhibited higher potential for carbon uptake as well as increased ecosystem respiration. In the Mediterranean grassland, trees added considerable amounts of nutrients to the soil beneath their canopies, and have the potential to facilitate understory production. Although there was no significant difference in the total biomass accumulation between understory and open locations, analysis of soil N concentration revealed higher soil N under the trees. Although NEE was limited by light intensity in the understory, model projections of GPP showed no difference between the understory and the open locations in their potential assimilatory capacities. Significant differences, however, occurred between the two locations in ecosystem respiration. Depending on the location (open or understory), grazing influenced CO2 exchange processes differently. We found no significant differences in GPP between grazed and ungrazed sites in the open locations, while large differences occurred in the understory, with lower NEE in the grazed as compared to the ungrazed locations. Mean maximum foliar N concentration in the temperate grassland occurred in mid-May, coinciding with early growing season, with 3.4% nitrogen, whereas in the Mediterranean grassland, it reached a peak value in early April which was lower (2.3 %), averaged over the stand biomass. As in the case of the foliar N, the root N concentration was also lower in the Mediterranean grassland (ca. 1 %) as compared to the temperate grassland (1.5 %). In terms of available N in the soil solution, it was low at Mitra (ca. 0.2 micromol g-1 soil) in early spring while it remained near 0.6 micromol g-1 soil throughout the season at Grillenburg. Thus, the development of biomass is sensitive to fluctuations in temperature and radiation during the optimal period for growth, but the total biomass accumulation is at a lower level in the Portuguese grasslands (as well as in the botanical garden) due to greater nutrient limitation. Mediterranean and temperate grasslands were found to differ more strongly than expected due to nutrient availability, which depends on the prevailing higher temperatures, annual changes in water balance and possibly nutrient removal from the ecosystem in Mediterranean regions.

Abstract in weiterer Sprache

Ziel dieser Arbeit war es, den Einfluss von Umweltbedingungen, extremen Witterungsereignissen, Bewirtschaftungsmethoden und Ökosystemheterogenität auf die Funktion von Graslandökosystemen bezüglich der Größen CO2-Austausch, Nährstoffdynamik, Produktion, Stickstoff- und Kohlenstoffpool zu bestimmen. Zwei Untersuchungsflächen wurden in Mitteleuropa stellvertretend für temperate Grasländer ausgewählt, zum einen ein bewirtschaftetes Grasland (Grillenburg), zum anderen eine für experimentelle Zwecke kontrolliert angelegte Graslandfläche (Botanischer Garten der Universität Bayreuth). Außerdem wurde ein mediterranes Grasland in Herdade da Mitra in Portugal beprobt. Im temperaten Grasland reduzierte die Mahd sowohl den Blattflächenindex (LAI) als auch die Biomasse mit einhergehendem Einfluss auf die Assimilationskapazität des Grasland-Ökosystems. Das Muster der Wurzelbiomasse-Entwicklung reflektierte die jahreszeitlichen Variationen in Temperatur und Niederschlag ebenso wie das Wachstum der oberirdischen Biomasse, mit Spitzenwurzelmasse zwischen Tag des Jahres 180 und 210. Die Mahd steigerte der Blatt-Stickstoffkonzentration durch den erhöhten Bedarf an Stickstoff im nachwachsenden Gewebe. Während des Winters und dem zeitigem Frühjahr waren die täglichen Raten des Netto-Ökosystemaustausches (NEE) niedrig, und die Summe aus NEE und Ökosystematmung war nahe Null. Im Gegensatz zu den gemähten zeigten die ungemähten Flächen eine niedrigere Brutto-Primärproduktion (GPP) aufgrund von Blattseneszenz auf den ungemähten bzw. Erholung der Vegetation auf den gemähten Flächen. Die Ergebnisse der kontrollierten Experimente im Botanischen Garten zeigten, dass Trockenheit die Kohlenstoffflüsse in Graslandsystemen beeinflusst, ohne signifikante Änderung in der oberirdischen Biomasse-Produktion. Eine mögliche Konsequenz von Trockenheit in diesen Grasarten könnte eine Erhöhung des LAI wegen Verschiebungen in der oberirdischen Kohlenstoff-Allokation von reproduktiven zu vegetativen Organen sein. Die Resultate verdeutlichen, dass die Artenzusammensetzung eine entscheidende Rolle bei der Regulation von Kohlenstoffflüssen und Ökosystemproduktivität spielt. Die Pflanzengemeinschaft mit höchster Biodiversität zeigte ein höheres Potenzial für Kohlenstoffaufnahme sowie auch eine erhöhte Ökosystematmung. Im mediterranen Grasland trugen Bäume beträchtliche Nährstoffmengen in den Boden unter ihren Kronen ein und haben so das Potenzial, die Unterwuchsproduktion zu begünstigen. Obwohl keine signifikanten Unterschiede zwischen Unterwuchs und Offenflächen bezüglich der Gesamtbiomasse-Akkumulation festzustellen waren, zeigte die Analyse der Bodenstickstoffkonzentration höhere Stickstoffgehalte unter den Bäumen. Obwohl NEE im Unterwuchs durch die Lichtintensität limitiert war, zeigte die Schätzung von GPP keinen Unterschied zwischen dem Unterwuchs und den Offenflächen in ihren potenziellen Assimilationskapazitäten. Signifikante Unterschiede gab es jedoch zwischen den beiden Standorten bezüglich der Ökosystematmung. Beweidung beeinflusste die CO2-Austauschprozesse unterschiedlich in Abhängigkeit von der Untersuchungsfläche. Keine signifikanten Unterschiede in GPP wurden zwischen beweideten und unbeweideten Offenflächen beobachtet, während die Unterschiede im Unterwuchs groß waren, nämlich mit niedrigerem NEE an beweideten im Vergleich zu unbeweideten Stellen. Das durchschnittliche Maximum der Blatt-Stickstoffkonzentration wurde im temperaten Grasland mit 3,4 % Stickstoff Mitte Mai während der frühen Wachstumsperiode gefunden. Im mediterranen Grasland erreichte die Blatt-Stickstoffkonzentration Anfang April Maximalwerte, welche über die Bestandesbiomasse gemittelt niedriger waren (2,3 %) als die der gemäßigten Zone. Wie im Falle des Blattstickstoffs war auch die Wurzelstickstoffkonzentration im mediterranen Grasland niedriger (ca. 1 %) im Vergleich zum temperaten Grasland (1,5 %). Bezüglich des verfügbaren Stickstoffs in der Bodenlösung waren die Werte in Mitra im Frühjahr niedrig (ca. 0,2 Mikromol g-1 Boden) während sie in Grillenburg über die gesamten Wachstumsperiode nahe 0,6 Mikromol g-1 Boden) blieben. Die Biomasse-Entwicklung reagiert demnach empfindlich auf Fluktuationen von Temperatur und Strahlung während der optimalen Wachstumsperiode. Die Gesamt-Biomasseakkumulation im portugisischen Grasland (ebenso wie in den Pflanzengemeinschaften des Botanischen Gartens) liegt jedoch wegen größerer Nährstofflimitierung auf niedrigerem Niveau. Die mediterranen und die temperaten Grasländer differierten stärker als erwartet, und zwar aufgrund der Nährstoffverfügbarkeit, welche abhängt von den höheren Temperaturen, dem saisonalen Wechsel der Wasserbilanz und dem Verlust von Nährstoffen aus dem Ökosystem in mediterranen Regionen.