Explaining temporal variability of and quantifying the impact of livestock grazing intensity on carbon and energy exchange in semi-arid near-natural and managed savanna ecosystems in South Africa

Titelangaben

Mukwashi, Kanisios:
Explaining temporal variability of and quantifying the impact of livestock grazing intensity on carbon and energy exchange in semi-arid near-natural and managed savanna ecosystems in South Africa.
Bayreuth , 2022 . - XVI, 159 S.
( Dissertation, 2021 , Universität Bayreuth, Bayreuther Graduiertenschule für Mathematik und Naturwissenschaften - BayNAT )

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Abstract

This dissertation focuses on the responses of carbon and turbulent energy fluxes to land use disturbance and micro-climatic controls in semi-arid areas of South Africa using the eddy covariance method. Flux tower sites examined were Skukuza, a near-natural savanna ecosystem, and two Karoo sites (Karoo 1 and Karoo 2), managed under different livestock grazing intensities. Flux measurements at the Karoo sites were conducted over two years from November 2015 to October 2017 while six hydro-ecological years were assessed at Skukuza, from among the existing flux datasets from 2000 to 2014. The main aims, investigated at both the Skukuza and Karoo sites, were: to better understand the rain-pulse driven 'hot moments' of ecosystem respiration (Reco) efflux, as well as the connectivity of precipitation and net ecosystem carbon dioxide (CO₂) exchange (NEE) to explain the onset and end of vegetative functional seasons, and to study the temporal variation of ecosystem water use efficiency (EWUE). Additionally, site-specific issues were studied separately on individual sites in order to complement previous work and to derive new findings. The phenomenon of ‘hot moments’ of CO₂ efflux or Reco spikes, as well as the amount of precipitation required to trigger them, has not been explored before for these types of ecosystems. Ecosystem respiration spikes at Karoo sites responded to rain pulses that ranged in size from about 1 mm to less than 15 mm and falling within 1 day to a maximum of 5 days. The minimum precipitation thresholds that triggered Reco spikes at Karoo 1 and Karoo 2 were 3 mm and 1 mm, respectively. The dissimilarity was most likely due to higher organic matter substrate for microbial activity at the Karoo 2 site, rested from livestock grazing, compared to the gently grazed Karoo 1 site. There were no distinct ‘hot moments’ of CO₂ efflux at Skukuza due to increased size of rain pulses, frequency of precipitation occurrence and amount of precipitation. A novel approach to determine the onset and end of vegetative functional seasons at the study sites was introduced using connectivity between precipitation and NEE. The minimum precipitation thresholds to reach the onset of vegetative functional seasons at Karoo 1, Karoo 2 and Skukuza were 33.9 mm, 40.8 mm and 52.8 mm, respectively. However, it was noted that the end of vegetative functional seasons at Skukuza for successive hydro-ecological years were generally late as the deep-rooted plants continued to show a photosynthesis response a couple of days or weeks after the cessation of rainfall. This indicates the need to consider plant functional types in determining the end of the vegetative functional seasons. EWUE ranged from around 1 g C kg⁻¹ H₂O at Karoo sites to about 2 g C kg⁻¹ H₂O at Skukuza showing a rise with increasing rainfall and productivity between Karoo sites and Skukuza. Livestock grazing intensity (gentle grazing vs long-term resting) did not cause a significant difference in EWUE between Karoo 1 and Karoo 2 for two consecutive growing seasons. In regard to the impact of livestock grazing intensity on annual carbon budgets, the annual NEE of Karoo 1 and Karoo 2 were similar. However, the long rest of 8 years at Karoo 2 relatively increased carbon sequestration compared to the gently grazed Karoo 1 site suggesting that land use management can potentially modify vegetation structure and function, which may cause variation in the magnitude of gross primary production. For instance, during the second year of measurement, the annual carbon budgets for Karoo 1 and Karoo 2 were 41 ± 74 g C m⁻² yr⁻¹ and -57 ± 83 g C m⁻² yr⁻¹, respectively. Vegetation greenness and micro-meteorological conditions were similar between Karoo 1 and Karoo 2, allowing a rational comparison on the effect of livestock grazing intensity on carbon exchange components between the sites. Using the thermal diffusion equation, soil heat storage above 10 cm depth was estimated and it improved energy balance closure (EBC) at Karoo 1 by 4 % and 3 % for year 1 and year 2, respectively. At Karoo 2, accounting for soil heat storage improved EBC slightly by 1 % for both year 1 and year 2. A comparison of ground heat flux between Karoo 1 and Karoo 2 showed no significant difference between the two sites. At Skukuza, soil moisture was the main control of the variability of maximum photosynthetic capacity (GPPopt) and net ecosystem CO₂ exchange offset (NEEoffset). GPPopt and NEEoffset increased with increasing soil moisture, supporting the notion that photosynthesis and Reco are higher during wet periods compared to dry periods. Air temperature and vapor pressure deficit did not show a clear relationship with GPPopt at Skukuza. From this study, it is concluded that land management and climate related controls are influential in the temporal dynamics of carbon and energy exchange components at these semi-arid areas of South Africa.

Abstract in weiterer Sprache

Die vorliegende Dissertation betrachtet die Reaktion turbulenter Kohlenstoff- und Energieflüsse semiarider Gebiete Südafrikas auf Störungen in der Landnutzung und auf mikroklimatische Einflussgrößen mit Hilfe der Eddy-Kovarianz-Methode. Die Messungen stammen vom ‚Skukuza‘-Messturm in einem naturnahen Savannenökosystem, sowie von zwei Messtürmen in der Karoo (‚Karoo 1‘ und ‚Karoo 2‘), die jeweils von unterschiedlich intensiver Weidewirtschaft geprägt waren. An den beiden Karoo-Standorten wurden jeweils über zwei Jahre, von November 2015 bis Oktober 2017, Flussmessungen vorgenommen, während insgesamt sechs hydro-ökologische Jahre als Teil der bestehenden Langzeitmessungen von 2000 bis 2014 am Skukuza-Turm im Rahmen dieser Arbeit betrachtet wurden. Die Arbeit beschäftigt sich im Kern mit drei Phänomenen, die sowohl am Skukuza-Messturm, als auch an denen in der Karoo untersucht wurden: mit sogenannten ‚Hot moments‘ des Ökosystem-Respirationsflusses (Reco), ausgelöst durch Niederschlagsimpulse nach der Trockenzeit; mit der Verknüpfung von Niederschlägen und dem Netto-Ökosystemaustauschs von Kohlenstoffdioxid (CO₂; NEE) zur Bestimmung der Vegetationsperioden; sowie mit der zeitlichen Variation in der ökosystemintegrierten Wassernutzungseffizienz (EWUE). Desweiteren wurden standortspezifische Themen separat für die individuellen Standorte untersucht, um frühere Arbeiten zu Ergänzen und neue Erkenntnisse abzuleiten. Der Zusammenhang zwischen den sogenannten ,Hot moments‘ der CO₂-Flüsse bzw. der Reco-Spitzen und der benötigten Niederschlagsmenge, um solche auszulösen, wurde für die hier betrachteten Ökosysteme bislang nicht untersucht. In der Karoo wurden Spitzen in der Ökosystemrespiration als Antwort auf Niederschlagsereignisse mit einer Intensität von 1 mm bis weniger als 15 mm und einer Dauer von weniger als 1 bis zu 5 Tagen beobachtet. Der minimale Schwellenwert zur Auslösung von Reco-Spitzen betrug 3 mm am Standort Karoo 1, beziehungsweise 1 mm am Standort Karoo 2. Der Unterschied ließ sich mit hoher Wahrscheinlichkeit auf die höhere Verfügbarkeit an organikreichem Substrat für mikrobielle Aktivität am ehemals beweideten Standort Karoo 2 zurückführen, verglichen mit dem auch heute noch schwach beweideten Standort Karoo 1. Am Skukuza-Turm wurden, wahrscheinlich aufgrund des intensiveren und häufigeren Niederschlages, keine ‚Hot moments‘ im CO₂-Fluss beobachtet. Ein neuartiger Ansatz zur Bestimmung von Anfang und Ende der Vegetationsperiode an den Messstandorten wurde vorgestellt, der auf der Verknüpfung von Niederschlagsmessungen und Messungen des NEE basiert. Die minimale Niederschlagsmenge um den Beginn der Vegetationsperiode zu erreichen betrug jeweils 33.9 mm, 40.8 mm und 52.8 mm an den Standorten Karoo 1, Karoo2 und Skukuza. Es wurde jedoch auch festgestellt, dass das Ende der Vegetationsperiode am Standort Skukuza für aufeinanderfolgende hydro-ökologische Jahre im Allgemeinen spät einsetzte, da die tiefwurzelnde Vegetation auch nach dem Ende der Regenzeit weiterhin einige Tage bis Wochen Photosyntheseaktivität zeigte. Zukünftig sollten daher gegebenenfalls Pflanzenfunktionstypen bei der Bestimmung des Endes der Vegetationsperiode berücksichtigt werden. Die EWUE reichte von 1 g C kg⁻¹ H₂O in der Karoo bis zu 2 g C kg⁻¹ H₂O am Standort Skukuza und war somit durch die größere Niederschlagsmenge und Produktivität am Standort Skukuza gegenüber der Karoo erhöht. Über einen Zeitraum von zwei aufeinander folgenden Wachstumsperioden wurde kein signifikanter Unterschied in der EWUE zwischen Karoo 1 und Karoo 2 gefunden, der sich auf die unterschiedliche Beweidungsintensität (schwach beweidet vs. langfristig ruhend) zurückführen ließe. Hinsichtlich des Einflusses der Beweidungsintensität auf die jährliche Kohlenstoffbilanz waren Karoo 1 und Karoo 2 im jährlichen NEE einander ähnlich. Die lange Beweidungsruhe von 8 Jahren am Standort Karoo 2 erhöhte jedoch relativ gesehen die Kohlenstoffsequestrierung verglichen mit dem schwach beweideten Standort Karoo 1, was darauf schließen lässt, dass die Landnutzung potenziell die Vegetationsstruktur und –funktion modifizieren und Variationen in der Höhe der Bruttoprimärproduktion verursachen kann. Während des zweiten Jahres der Messungen betrugen die jährlichen Kohlenstoffbilanzen beispielsweise 41 ± 74 g C m⁻² yr⁻¹ für Karoo 1 und -57 ± 83 g C m⁻² yr⁻¹ für Karoo 2. Dabei waren die mikrometeorologischen Bedingungen und die ‚greenness‘ der Vegetation zwischen beiden Standorten ähnlich, was eine gute Vergleichbarkeit des Effekts der Beweidungsintensität auf den Kohlenstoffaustausch untereinander zuließ. Die Wärmespeicherung im Boden oberhalb 10 cm Tiefe wurde mit Hilfe der Wärmeleitungsgleichung abgeschätzt und führte zu einer Verbesserung der Energiebilanzschließung (EBC) um 4 % im ersten und 3 % im zweiten Jahr für den Standort Karoo 1, während am Standort Karoo 2 die Berücksichtigung der Wärmespeicherung die EBC in beiden Jahren nur leicht um jeweils 1 % verbesserte. Der Bodenwärmestrom zeigte keine signifikanten Unterschiede zwischen Karoo 1 und Karoo 2. Am Standort Skukuza wurde die Bodenfeuchte als primäre Steuergröße für die Variabilität der maximalen Photosynthesekapazität (GPPopt) und des Offsets im Netto-Ökosystemaustausch von CO₂ (NEEoffset) identifiziert. GPPopt und NEEoffset waren mit steigender Bodenfeuchte erhöht, was die Vorstellung erhöhter Photosyntheseleistung und Reco während feuchter Perioden im Vergleich zu Trockenzeiten stützt. Ein klarer Zusammenhang zwischen GPPopt und der Lufttemperatur bzw. dem Dampfdruckdefizit konnte für den Standort Skukuza nicht gefunden werden. Es wird aufgrund der vorliegenden Studie darauf geschlossen, dass sowohl Landbewirtschaftung, als auch klimatische Steuergrößen einen Einfluss auf die zeitliche Dynamik des Kohlenstoff- und Energieaustauschs in den hier betrachteten, semiariden Gegenden Südafrikas haben.