Turbulent Exchange of Ozone and Nitrogen Oxides between an Amazonian Rain Forest and the Atmosphere

Titelangaben

Rummel, Udo:
Turbulent Exchange of Ozone and Nitrogen Oxides between an Amazonian Rain Forest and the Atmosphere.
Bayreuth , 2005
( Dissertation, 2005 , Universität Bayreuth, Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften)

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Abstract

Amazonia, the world’s largest tropical rain forest area is facing rapid development, mainly caused by slash and burn activities. The change in land use, primarily to agricultural and pasture areas, has sustainable influence on the atmospheric input and the deposition of constituents like ozone and nitrogen oxides, which are of high relevance for tropospheric chemistry. To asses the effect of land use change on tropospheric chemistry, a good knowledge of the exchange of those trace gases between the primary rain forest ecosystem and the atmosphere is necessary. So far, experimental information from tower based canopy-scale and leaf-scale measurements focusing on exchange processes is very limited. Within the framework of the LBA-EUSTACH project 1999 two experiments were carried out in Rondonia, southwest Amazonia, to estimate the exchange of ozone and nitrogen oxides between a tropical rain forest ecosystem and the atmosphere during the wet and the dry season, respectively. Ozone deposition was determined by eddy covariance measurements above the canopy. The data obtained during the end of the regional wet season confirm the results of the only previous study reporting on directly measured ozone fluxes above the Amazonian rain forest. Mean daytime maxima of -11.0 nmol m^(-2) s^(-1) and 2.3 cm s^(-1) for ozone flux and deposition velocity, respectively, show the rain forest to be an effective sink for ozone during the wet season. At the end of the dry season, under conditions of high atmospheric humidity deficit, the ozone uptake by the forest canopy was significantly reduced. A consequence of this strongly reduced uptake was a substantial in-canopy O3 storage during day, which was removed in the first half of the night, by considerable non-stomatal deposition and chemical destruction. Ozone deposition was simultaneously determined at an old pasture site which was deforested 22 years before the LBA-EUSTACH experiment. The measurements at this site showed an ozone deposition velocity ~35% and ~25% lower than the rain forest values for the end of the wet and dry season, respectively. Since cattle pastures represent the largest part of converted forest land in Rondonia, this difference may represent the effect of deforestation on the regional ozone surface sink. Based on land cover information provided by LANDSAT images, the current regional ozone deposition average for central Rondonia was estimated to be ~85% of the original sink provided by the native rain forest cover. nitrogen monoxide soil emissions were determined by an eddy covariance system which was positioned within the trunk space. Nighttime measurements resulted in mean values from 3.5 ng N m^(-2) s^(-1) to 4.8 ng N m^(-2) s^(-1), in good agreement with emission fluxes obtained by concomitant dynamic soil chamber measurements. A further aim of the experiment was to characterize the turbulence structure throughout the canopy during two intensive measuring periods. Detailed analysis of high frequency time series of several scalar quantities above and within the canopy revealed, during daytime, the frequent appearance of ramp pattern, the “finger print” of coherent turbulent structures. This enabled (i) to estimate a mean residence time of air within the part of the canopy which is directly coupled to the atmosphere above by these short, extreme, exchange events, and (ii) to determine ozone fluxes by a surface renewal model based on coherent air motion. To assess the relevance of in-canopy processes as turbulent transport, uptake by vegetation, soil deposition, and chemical reactions to the ecosystem exchange of ozone and nitrogen oxides, their characteristic time scales where analyzed. For the first time nitrogen dioxide profiles were measured within a tropical rain forest. By combining these results with all available wet season data on leaf level exchange in a stationary budget approach, a reduction of soil-emitted nitrogen oxides by vegetation up to 25% was obtained. This value is considerably smaller than that obtained by previous model studies. Direct comparison to the nitrogen oxide budget of the old cattle pasture indicated the primary rain forest ecosystem to be a higher nitrogen oxide source, and suggests therefore, that deforestation is reducing the biogenic nitrogen oxide emission in southwest Amazonia on a long term basis, if no fertilizer is used.

Abstract in weiterer Sprache

Der Amazonische Regenwald wird zunehmend durch Abholzung und Brandrodung reduziert. Die damit verbundene Landnutzungsänderung hin zu weide- und landwirtschaftlich genutzten Flächen, verändert auch nachhaltig den atmosphärischen Eintrag und die Deposition troposphärenchemisch relevanter Substanzen wie Ozon und Stickoxiden. Zur Bewertung der Auswirkungen von Landnutzungsänderung auf atmosphärenchemische Prozesse ist eine möglichst genaue Kenntnis des Austausches dieser Spurengase zwischen dem primären Regenwaldsystem und der Atmosphäre notwendig. Bisher gibt es kaum Messungen zum Austauschverhalten tropischer Regenwald-ökosysteme bezüglich Ozon und Stickoxiden - weder auf Bestands- noch auf Blattniveau. Im Rahmen des LBA-EUSTACH Projektes wurden 1999, während der Regen- und der Trockenzeit im Südwesten Amazoniens, im Staat Rondonia, Feldexperimente zur Bestimmung des Austausches von Ozon und Stickoxiden zwischen einem tropischen Regenwaldökosystem und der Atmosphäre durchgeführt. Die Ozondeposition wurde durch Eddy-Kovarianzmessungen über dem Bestand bestimmt. Die Ergebnisse der Messungen, die am Ende der regionalen Regenzeit stattfanden, bestätigen die einzigen, zuvor über dem Amazonischen Regenwald durchgeführten, direkten Ozonflussmessungen. Die mittleren Tagesmaxima des Ozonflusses und der Depositionsgeschwindigkeit von -11.0 m^(-2) s^(-1) bzw. 2.3 cm s^(-1) zeigen, dass der Wald während dieser Periode eine sehr effektive Ozonsenke darstellt. In der Endphase der Trockenzeit, unter Bedingungen mit hohem atmosphärischen Luftfeuchtedefizit, war die Ozonaufnahme durch den Waldbestand während des Tages drastisch reduziert. Als Folge der verringerten Aufnahmefähigkeit trat während des Tages eine beachtliche Ozonspeicherung innerhalb des Bestandes auf, die während der ersten Nachthälfte durch nicht-stomatäre Deposition und chemische Prozesse wieder abgebaut wurde. Parallel wurde die Ozondeposition über einer 22 Jahre zuvor gerodeten Weidenfläche bestimmt. Die Messungen dort ergaben eine, im Vergleich zum Regenwald um ~35% bzw. ~25% geringere Depositionsgeschwindigkeit am Ende der Regen- bzw. Trockenzeit. Da Viehweiden im Staat Rondonia den größten Anteil der genutzten Rodungsflächen ausmachen, repräsentieren diese Verhältnisse wahrscheinlich in guter Näherung den Effekt der Abholzung auf die regionale Oberflächensenke von Ozon. Die Kombination der Ergebnisse mit Landnutzungsinformation aus LANDSAT-Satellitenbildern ergab, dass die gemittelte Ozondeposition für Zentral-Rondonia aktuell ungefähr 85% der ursprünglichen Deposition bei vollständiger Oberflächenbedeckung durch Regenwald beträgt. Bodenemissionen von Stickstoffmonoxid wurden durch ein Eddy-Kovarianzmesssystem innerhalb des Stammraumes bestimmt. Für nächtliche Messungen ergaben sich, in guter Übereinstimung mit Resultaten gleichzeitig durchgeführter Bodenkammermessungen, mittlere Werte zwischen 3.5 ng N m^(-2) s^(-1) und 4.8 ng N m^(-2) s^(-1). Ein Schwerpunkt der Experimente war es, während zwei Intensivmessphasen die Turbulenzstruktur innerhalb des Waldbestandes zu charakterisieren. Eine detaillierte Analyse der hochfrequenten Zeitreihen verschiedener Skalare über und im Bestand zeigte während des Tages ein häufiges Auftreten von Rampenmustern, einem Indiz für kohärente Turbulenzstrukturen. Dies ermöglichte tagsüber (a) die Bestimmung der mittleren Aufenthaltszeit der Luft in dem Teil des Bestandes, der durch diese kurzen, extremen Austauschereignisse direkt an die Atmosphäre darüber gekoppelt ist, und (b) die Anwendung eines auf kohärenter Luftbewegung basierenden Surface Renewal Modells zur Bestimmung des Ozonflusses. Um den Einfluss von Prozessen wie turbulentem Transport, Aufnahme durch die Vegetation, Bodendeposition und chemischen Reaktionen im Pflanzenbestand auf den Ökosystemaustausch von Ozon und Stickoxiden abzuschätzen, wurden deren charakteristische Zeitskalen analysiert. Weiter wurden erstmalig Stickstoffdioxidprofile in einem tropischen Regenwald gemessen. Durch die Kombination dieser Resultate mit den Daten aller, für die Regenzeit auf Blattniveau zur Verfügung stehenden Austauschmessungen, in einem stationären Budgetansatz, ergab sich eine Reduktion der Boden Stickoxidemission durch die Vegetation von bis zu 25%. Dieser Wert ist wesentlich geringer als durch bisherige Modellrechnungen bestimmt. Im direkten Vergleich zur Stickoxidbilanz der relativ alten Viehweide, stellt der primäre Regenwald damit eine größere netto Stickoxidquelle dar, was darauf hindeutet, dass auf lange Sicht, ohne den Einsatz von Dünger, die biogene Emission von Stickoxiden durch Abholzung des tropischen Regenwaldes in Südwest-Amazonien reduziert wird.