Entwicklung eines Boden-Vegetation-Atmospheren-Austausch-Models

Durch das weitgehend antropogen bedingte Ungleichgewicht zwischen Quellen und Senken für C02 kommt es seit der industriellen Revolution zu einem steten Ansteigen der CO 2 -Konzentration in der Atmosphäre. Die hervorstechendste negative Konsequenz dieses Phänomens ist die Erwärmung der Erdatmosphäre, welche sich in einem globalen Anstieg der Lufttemperatur bemerkbar macht. Gleichzeitig schreiten Bewirtschaftungsänderungen in den Gebirgsregionen Europas rapide voran. Diese sind Auslöser für langfristige Änderungen der räumlichen Bestandesstruktur, der Artenzusammensetzung und deren Wechselwirkungen, der Zusammensetzung und des Umsatz der organischen Bodensubstanz, und der Nährstoffkreisläufe. Es ist daher wahrscheinlich, daß Bewirtschaftungsänderungen die Flüsse von sensibler und latenter Wärme, sowie C02 und anderer Spurengase beinflussen, was wiederum Wechselwirkungen mit globalen Klimaveränderungen erwarten läßt. Ziel des vorliegenden Projektes ist die Entwicklung eines Boden-Vegetation-Atmosphären-Austausch (SVAT)- Models zur Simulation des Massen- und Energieaustausches in Gebirgsgraslandökosystemen und damit zur Quantifizierung der Art und Weise wie diese durch Bewirtschaftungsänderungen beeinflußt werden. Dabei ist das Ziel eine detaillierte Prozessanalyse, weniger als die reine Vorhersage, dieser Flüsse, weshalb ein detailliertes, mehrschichtiges SVAT-Model verwendet wird. Dieses Model vereint den letzten Stand wissenschaftlicher Forschung in den Bereichen Biogeochemie, Mikrometeorologie und Ökophysiologie und wird speziell, unter besonderer Bedachtnahme der folgenden Punkte, für die Anwendung in Gebirgsökosystemen angepaßt: * Gebirgsgraslandökosysteme sind extrem vielfältig und setzten sich aus einer großen Zahl verschiedener Arten mit unterschiedlichen physiologischen Charakteristika zusammen. Ein wichtiger Kriterium ist daher die Parameterisierung der Blattgaswechselmodelle, da die Senkenkapazität der Ökosysteme für C02 eng mit der Blattphysiologie korrelliert. * im Vergleich mit Tallagen erhalten Gebirgsökosysteme deutlich mehr Niederschläge. Ein zentraler Punkt des vorliegenden Projektes ist daher die Klärung der Frage ob, wann und in welchem Ausmaß die C02 -Aufhahme von Gebirgsgraslandökosystemen durch die Bodenwasserverfügbarkeit limitiert ist und welche Zusammenhänge dabei mit der Bewirtschaftung bestehen. * Wenn Mähwiesen und Weiden aufgelassen werden, akkumuliert sich die vormals vom Menschen bzw. von den Weidetieren entfernte Biomasse in einer für Brachen typischen Schicht nahe der Bodenoberfläche. Dieses tote Pflanzenmaterial trägt nicht zur C02 -Aufnahme bei, beeinflußt aber wesentlich die Energiebilanz des Ökosystems, da die toten Pflanzenteile Strahlung absorbieren, reflektieren und abgeben, sowie an der Wärmekonvektion beteiligt sind. Der Schwerpunkt des vorliegenden Projektes liegt auf der Entwicklung und Anwendung eines SVAT-Models. Daten von Freilanduntersuchungen die zur Parameterisierung, Validierung und Anwendung des Models benötigt werden, stammen zum Großteil von dem vom Antragsteller koordinierten EU-TERI-Projekt ECOMONT, welches die Auswirkungen von Bewirtschaftungsänderungen auf Gebirgsökosysteme in Europa untersucht. Um fehlende Validierungsdaten zu ergänzen oder spezielle Modellhypothesen zu überprüfen, sind jedoch gezielte Freilandmessungen geplant.

Ein mathematisches Model zur Vorhersage der Austauschprozesse von Kohlendioxid, Wasserdampf und Wärme zwischen dem Boden/der Vegetation und der Atmosphäre wurde entwickelt. Das Model besteht aus einem unterirdischen und einem oberirdischen Teil: Der unterirdische Modelteil simuliert den Transport von Wärme und Wasser im Boden und an der Bodenoberfläche, und die Abgabe von Kohlendioxid durch die Atmung von Wurzeln und Bodenmikroorganismen (z.B. Pilzen und Bakterien). Der oberirdische Modelteil simuliert die Verteilung der Umweltfaktoren, welche die Pflanzenphotosynthese und -transpiration beeinflussen (z.B. Lichtintensität, Lufttemperatur, -feuchte, -kohlendioxidgehalt, Windgeschwindigkeit, Niederschlag), und deren Einfluss auf ebendiese Prozesse. Der Gesamtaustausch von Kohlendioxid, Wasserdampf und Wärme von/zur Atmosphäre ergibt sich dann aus der Summe der oberirdischen und unterirdischen Beiträge. Mit Hilfe dieses Models konnte gezeigt werden, dass der nach dem Auflassen von Mähwiesen und Weiden beobachtete Rückgang der Pflanzenphotosynthese nicht wie ursprünglich angenommen, auf die für nicht mehr bewirtschaftete Flächen typische Anhäufung von abgestorbenem Pflanzenmaterial zurückzuführen ist. Vielmehr zeigten die Simulationen, dass die Reduktion der Pflanzenphotosynthese auf einen Rückgang des Pflanzenphotosynthesepotentials, verursacht durch mit dem Ende der Bewirtschaftungsmaßnahmen einhergehende Änderungen der Artenzusammensetzung und Nährstoffverfügbarkeit, zurückzuführen ist. Diese Ergebnisse sind erste Indikatoren dafür, dass die Beibehaltung traditioneller berglandwirtschaftlichen Maßnahmen der Zunahme der Kohlendioxidkonzentration in der Atmosphäre, dem sogenannte Treibhauseffekt und den damit einhergehenden negativen Konsequenzen, entgegenwirken können.