Energiebalance in einem Wald-Ökosystem

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Veröffentlicht: Freitag, 31. Juli 2015 Wälder sind eines der vielen und vielfältigen Ökosysteme auf der ganzen Welt. Sie nehmen eine große Fläche ein und stehen im Mittelpunkt der Besorgnis über den Klimawandel, die Kohlenstoffbilanz und die Umweltverschmutzung. Um die Bedeutung und das Funktionieren dieser Ökosysteme besser zu verstehen, führt unser Forschungsteam Untersuchungen an einem ausgewachsenen Eichenbestand 70 km südöstlich von Paris im Staatswald Barbeau durch.

An der Station steht ein 35 m hoher Turm, an dem eine Vielzahl Sensoren, Sonden und Geräte angebracht ist. Diese untersuchen den Wald mikroskopisch genau. Die Spitze des Turms überragt die höchsten Bäume um etwa 5-6 Meter. Über den Baumkronen werden verschiedene Parameter der Mikrometeorologie überwacht, darunter Lufttemperatur und relative Feuchtigkeit, Regen, Taupunkt, Luftdruck, Windgeschwindigkeit und Windrichtung.

Entlang eines vertikalen Profils werden über die gesamte Höhe des Turms Lufttemperatur, Luftfeuchtigkeit, Windgeschwindigkeit und -richtung in sechs verschiedenen Höhen, und Luftgaskonzentrationen (CO2, H2O, O3) in acht Höhen gemessen.

Unterhalb der Baumkronen, am bzw. im Erdboden, werden Variablen der Bodenmikrometeorologie wie Bodentemperatur, Bodenwassergehalt, Bodenwärmestrom (G), Boden-CO2-Ausstoß (d.h. Bodenatmung), Baumstammwachstum und Saftflussraten gemessen. Weitere Einzelheiten über die Station und die Messgeräte, einschließlich Echtzeitdaten, finden Sie unter www.barbeau.u-psud.fr .

Solar radiation sensors at the top of the tower

 

Dank der gesammelten Überwachungsdaten sind wir in der Lage, die Energie- und Massenflüsse zwischen dem Wald und der Atmosphäre zu interpretieren und zu erklären. Die Messung der Stoff- und Energieströme erfolgt nach dem 'Eddy-Kovarianz'-Ansatz mit einer Kombination aus zwei Messinstrumenten, einem dreidimensionalen Schallanemometer und einem schnellen CO2/H2O-Analysator. Bei der Überwachung mit einer Abtastfrequenz von mindestens 10 Hz wird die vertikale Komponente der Windgeschwindigkeit in Kovarianz mit den überwachten Variablen (CO2, H2O oder Lufttemperatur) berücksichtigt. Dies ermöglicht die Berechnung des vertikalen turbulenten CO2- und H2O-Flusses (Masse) sowie des vertikalen Wärme- (H) und latenten Wärmeflusses (LE) (Energie) zwischen Wald und Atmosphäre.

Zusätzlich zu den oben beschriebenen Wettervariablen gibt es mehrere Sonnenstrahlungssensoren, die oberhalb und unterhalb des Barbeau-Walddaches installiert sind. Für das Verhalten von Pflanzen ist Licht ist ein absolut wichtiger Parameter, da es zum Prozess der Blattfotosynthese gehört.

Daher wurden an der Spitze des Turms belüftete Sensoren für die Globalstrahlung (Rg, Kipp & Zonen CMP22) und die Nettostrahlung (Rnet, Kipp & Zonen CNR 4) installiert, um festzustellen, wieviel Energie vom Himmel kommt, wieviel von der Vegetation (Bäume und Boden) reflektiert wird und somit zu errechnen, wieviel Energie absorbiert wird.

Eine Schwierigkeit bei der Eddy-Kovarianz-Methode bleibt, die geschätzte Unsicherheit der ermittelten Flusswerte zu quantifizieren. Diese Flüsse sind komplexe Prozesse, und die Schätzungen ergeben sich aus verschiedenen Messungen und Berechnungen, sowie aus zahlreichen expliziten und impliziten Annahmen. Daher ist es etwas problematisch, die absolute Genauigkeit dieser Werte zu dokumentieren. Ein einfaches Maß für die innere Konsistenz ist jedoch die Überprüfung der Energieerhaltung.

Die Summe der Turbulenzströme aus fühlbarer und latenter Wärme sollte die verfügbare Energie ausgleichen: Rnet = H + LE + G, wobei Rnet die Nettostrahlung, H der sensible Wärmestrom, LE der latente Wärmestrom und G der Bodenwärmestrom ist.

 

Typische Beziehung für einen Wald, unter Verwendung von Daten der Waldstation Tharandt, Deutschland, aus den Jahren 2006 und 2007 und adaptiert von N. Delpierre, 2009.

Darüber hinaus wurden zwei Kipp & Zonen PQS1 PAR (Sesnsoren für photosynthetisch aktive Strahlung)  Rücken an Rücken an der Spitze des Turms installiert, um die vom Himmel einfallenden PAR und die von der Vegetation reflektierten PAR zu überwachen. Unterhalb des Kronendachs wurden fünfzehn PQS1 PAR-Sensoren am Boden verteilt, um die Menge der PAR zu messen, die den Boden erreicht. So können wir den vom Wald absorbierten PAR-Anteil berechnen.

Der Barbeau ist ein laubabwerfender Eichenwald, d.h. die Blätter fallen im Herbst. Im Winter entspricht der PAR-Anteil, der den Boden erreicht, 35% des einlaufenden PAR und im Sommer erreichen nur 1 bis 2% den Boden, wie in der Grafik dargestellt. Der PAR wird im Winter durch Holz (Stämme, Äste und Zweige) und im Sommer hauptsächlich durch Blätter abgefangen.


 

Diese Abfangung kann direkt mit dem Blattflächenindex (LAI, in m2 Blätter pro m2 Boden) korreliert werden, der die Walddichte angibt. Je mehr Blätter vorhanden sind, desto weniger Licht erreicht den Boden.

Alle Sensoren werden von zehn Campbell Scientific-Datenloggern (CR1000 & CR3000) gesteuert und die Daten werden über ein Ethernet-Netzwerk erfasst. Sie werden über eine Satellitenverbindung auf die Laborserver hochgeladen und halbstündlich auf der Website der Barbeau-Station unter www.barbeau.u-psud.fr/realtime.html angezeigt.

Artikel von Daniel Berveiller, Research Engineer, CNRS, France 

Reference:
Delpierre, N. (2009) - Unravelling the determinism of interannual variations of carbon exchanges between European forests and the atmosphere: a process-based modelling approach. With this PhD thesis he obtained the degree of Doctor of Science from the University of Paris XI Orsay.
http://max2.ese.u-psud.fr/publications/THESE_Delpierre.pdf


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