Strassemeyer, Jörn

Gaswechsel (CO2/H2O) von Eichenbeständen (Quercus robur L.) unter erhöhter atmosphärischer CO2-Konzentration

Gas exchange (CO2/H2O) of oak stands (Quercus robur L.) at elevated atmospheric CO2 concentration

Thesis

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Schlüsselwörter:

Kohlenstoffdioxyd, Quercus robur, Photosynthese, stomatäre Leitfähigkeit, Bestandesgaswechsel

carbon dioxide, Quercus robur, photosynthesis, stomatal conductance, stand flux

Sachgruppe der DNB
32 Biologie

Doctoral Dissertation accepted by: Technical University of Berlin , School of Architecture - Environment - Society, 2002-08-20

Abstract

Forest trees are major components of the terrestrial biome and their response to rising atmospheric CO2 plays an important role in the global carbon cycle. Therefore this work studies the direct effects of increased CO2 concentration on growth and gas exchange of pedunculate oak (Quercus robur L.). Using the microcosm technique, long term investigations were conducted on juvenile oak stands at ambient and elevated CO2 (350 and 700 µmol mol-1) under field-like conditions. Environmental factors such as irradiation, temperature and nutrients, both above and below ground, were included in this experimental approach. Parameter values for the key processes (photosynthesis, stomatal conductance, plant and soil respiration) were derived from the experimental data. Results from leaf measurements were directly integrated and compared with the whole-canopy measurements.

Net photosynthesis (An) was stimulated by 11%-50% as a short-term response to elevated CO2. This response was reduced with the duration of the experiment. The reduction of the CO2-response was coupled with a reduction (10-38%) of the maximal carboxylation rate (Vcmax) and the maximal electron transport rate (Jmax). It was concluded that the acclimation of An is caused by a feedback reaction with a nitrogen limitation in the soil. The variation of An within the canopy was related to the nitrogen content (Na) of the leaves. For both CO2 treatments and all vegetation periods a generic relationship was obtained between Na and Vcmax and between Na and Jmax. These relationships resolved the variability which was due to different leaf types and different stands as well as the variability which was caused by seasonal changes. The temperature dependencies of Vcmax and Jmax were estimated from An/ci-curves measured at 12, 20, 25, 30 and 36°C. A lower temperature optimum was found for Jmax (32.8°C) than for Vcmax (35.0°C) and no differences of the temperature dependence could be observed between the two CO2 treatments.

The stomatal conductance (gs) was reduced by 36% as a result of doubling the atmospheric CO2 concentration. In this work two empirical models according to Ball et al. (1987) and Jarvis (1976) were fitted to the measured gs values. Besides environmental factors such as irradiation, temperature and CO2 concentration gs was also dependent on the nitrogen content of the leaves. This dependency was integrated into both models.

Vertical profiles of LMA and Na were measured within the canopy. Both juvenile stands exhibited gradients of LMA and Na, which correlated strongly with the values of transmitted irradiance and cumulative LAI. These relationships were used together with relationships of the physiological parameters to Na and LMA to estimate the gradient of these parameters within the canopy.

The measured net ecosystem CO2 exchange (NEF) was decreased by 44% after long-term elevation of CO2. This was in accordance with the reduction of the biomass increment. In 1997 the yearly integrated NEF amounted up to 61.48 mol m-2a-1 at ambient CO2 and up to 34.39 mol m-2a-1 at elevated CO2. The quality of the CO2 gas exchange measurement was verified by comparing it to the biomass increment of the stands. The biomass increment calculated from the NEF corresponds to 98% in the stand juv350 and to 83% in the stand juv700 with the actually measured biomass increment.

The observed reduction of the NEF was based mainly on an increase of the soil respiration, due to a significantly higher biomass of the fine roots. Simulating the stand gas exchange with the model FORSTFLUX resulted in an increase of the soil respiration by 29%. Further simulation runs of the system gas exchange quantified the strong influence of stand structure. It could be shown that the acclimation of photosynthesis to long-term CO2 elevation influenced the NEF less than changes in the stand structure.

Model simulation with increased temperature (+1, +2 and +4°C) resulted in a strong reduction of NEF (-12%, -27% and -63%) and an enhancement of ET (7%,16% and 33%). These results support the hypothesis that the terrestrial biosphere will change from a carbon sink to a carbon source as a result of the exponential increase of respiration and decomposition under rising temperature.

Waldökosysteme bilden die Hauptkomponente der terrestrischen Biomasse und ihre Reaktion auf eine ansteigende atmosphärische CO2-Konzentration hat einen wesentlichen Einfluss auf den globalen Kohlenstoffkreislauf. Daher wurden in dieser Arbeit juvenile Eichenbestände (Quercus robur L.) langfristig normaler (350 µmol mol-1) und erhöhter CO2-Konzentration (700 µmol mol-1) ausgesetzt. Mit Hilfe der Mikrokosmos-Technik wurden der Gaswechsel (CO2/H2O) und das Wachstum dieser Modellbestände unter nahezu natürlichen Umweltbedingungen untersucht. Die Abhängigkeiten einzelner Teilprozesse im Kronen- und Bodenraum (Nettophotosynthese, stomatäre Leitfähigkeit, Pflanzen- und Bodenatmung) von verschiedenen Umweltfaktoren (Strahlung, Temperatur, Stickstoffverfügbarkeit) wurden ermittelt. Einzelblattmessungen konnten direkt integriert und mit Gaswechselmessungen des gesamten Modellbestandes verglichen werden.

In den Vegetationsperioden war die Nettophotosyntheserate (An) unter erhöhter CO2-Konzentration im Mittel um 11%-50% größer. Die CO2-bedingte Steigerung von An nahm mit zunehmender Versuchsdauer ab. Sie war mit einer Reduktion (10-38%) der maximalen Carboxylierungsrate (Vcmax) und der maximalen Elektronentransportrate (Jmax) unter erhöhtem CO2-Angebot gekoppelt. Diese Akklimatisation der Nettophotosynthese basierte auf einer Rückkoppelung mit einer Stickstofflimitierung im Boden. Die hohe Variabilität von An war auf Unterschiede in den Stickstoffgehalten (Na) der Blätter zurückzuführen und konnte mit einer generischen Vcmax/Na- bzw. Jmax/Na-Beziehung erklärt werden. Sowohl die Variabilität der Photosyntheseparameter aufgrund verschiedener Blatttypen, als auch die Variabilität zwischen den Beständen und Vegetationsperioden wurden mit dieser Beziehung aufgelöst. Die Temperaturabhängigkeiten von Vcmax und Jmax wurden durch Messungen von An/ci-Kurven bei 12, 20, 25, 30 und 36°C bestimmt. Eine CO2-Erhöhung beeinflusste die Temperaturabhängigkeit nicht. Es wurden niedrigere Temperaturoptima für Jmax (32.8°C) als für Vcmax (35.0°C) ermittelt.

Die stomatäre Leitfähigkeit (gs) war nach Verdoppelung der CO2-Konzentration signifikant um 36% reduziert. Die gemessenen gs-Werte wurden entsprechend den Modellansätzen von Ball et al. (1987) und Jarvis (1976) ausgewertet. Neben einer CO2-, Strahlungs-, und Temperaturabhängigkeit wurde auch eine lineare Na-Abhängigkeit der stomatären Leitfähigkeit ermittelt und in beide Modelle integriert.

Vertikale Kronenraumprofile wurden für LMA und Na bestimmt. Die LMA- und Na-Werte der einzelnen Kronenschichten korrlierten gut mit der relativen Einstrahlung und dem kumulativen LAI. Diese Beziehungen wurden in Verbindung mit der Na und LMA-Abhängigkeit der Modellparameter angewandt, um die Verteilung der physiologischen Parameter innerhalb des Kronenraumes abzuschätzen.

Der CO2-Bestandesgaswechsel war nach langfristigem Wachstum unter erhöhter CO2-Konzentration um 44% reduziert. In 1997 betrug der NEF unter normaler CO2-Konzentration 61.48 mol m-2 a-1 und unter erhöhter 34.39 mol m-2 a-1. Die Güte der Bestandesgaswechselmessungen wurde im Vergleich mit den Biomasseernten belegt. Die aus dem NEF berechneten und die bei den Ernten bestimmten Biomassezunahmen stimmten im Bestand juv350 zu 98% und im Bestand juv700 zu 83% überein.

Die beobachtete Reduktion des NEF beruhte überwiegend auf einer Erhöhung der Bodenatmungsraten aufgrund der signifikant erhöhten Feinwurzelmasse. Anhand von Simulationsläufen mit dem Bestandesgaswechselmodell FORSTFLUX wurde eine Zunahme der Bodenatmung um 29% berechnet. In weiteren Simulationsläufen wurde der erhebliche Einfluss der Bestandesstruktur auf den Bestandesgaswechsel quantifiziert. Dabei waren die Auswirkungen einer Akklimatisation der Nettophotosynthese auf den NEF deutlich geringer als die Auswirkungen einer veränderten Bestandesstruktur.

Simulationsläufe mit erhöhter Temperatur (+1, +2 und +4°C) ergaben in der Jahresbilanz einen verringerten NEF (-12%, -27% und -63%) und eine gesteigerte ET (7%, 16% und 33%). Diese Ergebnisse unterstützen die Hypothese, dass sich aufgrund des exponentiellen Anstiegs der Respiration und Dekomposition mit ansteigender Temperatur die terrestrische Biosphäre von einer Kohlenstoffsenke zu einer Kohlenstoffquelle wandelt.

Betreuer Forstreuter, Manfred; P.D. Dr.
Gutachter Overdieck, Dieter; Prof. Dr.
Gutachter Gregor, Heinz-Detlef; Prof. Dr.
Gutachter Pfanz, Hardy; Prof. Dr.
Upload: 2002-12-16
URL of Theses: http://edocs.tu-berlin.de/diss/2002/strassemeyer_joern.pdf

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