Compilation of a Global N2O Emission Inventory for Tropical Rainforest Soils using a Detailed Biogeochemical Model : Dissertation, Albert-Ludwigs-Universität Freiburg, Fakultät für Forst- und Umweltwissenschaften

Karlsruhe

2007

58 S.

14 Abb., 2 Tab., zahlr. Lit. Ang.

Bandaufführung

164377

Stickstoffdioxid (N2O) ist ein stark klimawirksames Spurengas und trägt zu etwa 6% zum beobachteten, anthopogen verursachten Treibhause ekt bei. Es wird vermutet, dass Böden, insbesondere tropische Waldböden, die bedeutendste natürliche Quelle für atmosphärisches N2O darstellen. Zahlreiche Studien haben auÿerdem gezeigt, dass die Höhe von N2O-Emissionen tropischer Waldböden sowohl räumlich als auch zeitlich stark variiert. Die Kopplung von Geographischen Informationssystemen (GIS) mit detaillierten, prozess-orientierten Modellen wird deshalb als eine viel versprechende Methode zur Berechnung von N2O-Emissionskatastern angesehen, da sie sowohl die grundlegenden mikrobiellen Umsetzungsprozesse als auch deren ökologische Steuergröÿen berücksichtigt. Vor allem mit täglicher Au ösung operierende Modelle, wie das in dieser Studie eingesetzte ForestDNDC-tropica, sind in der Lage, die beobachteten intra- und inter-annuellen Schwankungen von N2O-Emissionen zu simulieren. Zur Kalibrierung und Validierung dieser Modelle werden aber zeitlich hoch aufgelöste N2O-Emissionsmessungen benötigt, die jedoch bisher nur in sehr begrenztem Umfang verfügbar sind. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden deshalb zunächst zeitlich hoch aufgelöste Datensätze des Boden-Atmosphäre-Austausches von N2O, Methan (CH4) und Kohlendioxid (CO2) sowie wichtiger ökologischer Ein ussgröÿen in tropischen Regnwäldern Kenias und Süd-West Chinas mittels eines vollautomatischen Messsystems erhoben. Hierbei konnten signi kante Unterschiede der regionalen Quellstärke von C- und N-Spurengasen zwischen den Mess ächen und auch unterschiedlichen Waldtypen festgestellt werden. Allerdings wurden ebenfalls Gemeinsamkeiten beobachtet, wie etwa das Auftreten von kurzzeitigen N2O Emissionsspitzen mit den ersten Regenfällen nach der Trockenzeit, Substratlimitierungen der N2O-Emissionen sowie eine starke Abhängigkeit der N2O Emissionen von der Bodenfeuchte. Die erhobenen Messdaten sind in ihrer Qualität für diese Tropenregionen einzigartig, da zum einen keine Messungen für diese Gebiete vorlagen und zudem erstmals der Boden-Atmosphäre-Austausch von N2O, CH4 und CO2 in sehr hoher zeitlicher Au ösung aufgezeichnet wurde. In Verbindung mit bereits existierenden Datensätzen vergleichbarer Qualität wurden die neu erhobenen Daten für eine Neukalibrierung des ForestDNDC Modells mittels einer parallelisierten Bayesischen Kalibrierung genutzt. Durch umfassende Validierungsund Sensitivitätsstudien konnte die Güte des verbesserten biogeochemischen Modells für die Simulation von N2O-Emissionen aus tropischen Waldökosystemen aufgezeigt werden. Die neue Modellversion wurde in Verbindung mit einer neu entwickelten GIS Datenbank der weltweiten tropischen Regenwaldgebiete zur Berechnung eines globalen N2OEmissionskatasters eingesetzt. Für die Jahre 1991 2000 wurden N2O-Emissionen in täglicher Au ösung simuliert, wobei sowohl ausgeprägte räumliche als auch zeitliche Muster der N2O-Quellstärken zu Tage traten. Basierend auf den vorgestellten Berechnungen wurde die globale Quellstärke für N2OEmissionen aus tropischen Regenwaldböden von bisher 1.2 3.6 Tg N yr-1 auf 1.3 Tg N yr-1 revidiert. Hierbei gilt es allerdings zu beachten, dass einige der bisherigen Abschätzungen auf zum Teil deutlich gröÿeren Regenwaldgebieten basieren, die in dieser Arbeit verwendete Fläche hingegen denen aktuellerer Studien entspricht. Die durch die Eingangsdaten bedingte Unsicherheitsspanne des N2O-Emissionskatasters wurde mit Hilfe des Latin Hypercube Verfahrens auf 0.9 2.4 Tg N yr-1 berechnet. Ein weiteres wichtiges Ergebnis der Arbeit ist die im globalen Maÿstab sowohl saisonale als auch inter-annuell simulierte Variabilität der N2O-Emissionen aus den Böden tropischer Regenwälder, die sich zwar zum Teil aus Beobachtungen im Rahmen von Feldmessungen ergibt, auf globaler Ebene jedoch durch statistische Skalierungsmethoden bisher nicht herausgearbeitet werden konnte. Es wurden weiterhin signi kante räumliche und zeitliche Variabilitäten der N2O Emissionen im kontinentalen Maÿstab beobachtet. So variierten die pedogenen N2O-Emissionen aus afrikanischen Tropenwäldern zwischen den Jahren 1993 und 1994 um 90%. Diese starken Variationen der kontinentalen N2OQuellst ärken sollten deshalb auch durch inverse Modellierungsverfahren aufgezeigt werden können. Die vorliegende Arbeit zeigt, dass ForestDNDC-tropica die weltweit in Freilandmessungen beobachtete Heterogenität des N2O-Spurengasaustausches realistisch nachbilden kann. Weiterhin zeigen die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit deutlich, dass die GISgekoppelte biogeochemische Modellierung ein exzellentes Werkzeug für die Berechnung kontinentaler und globaler Emissionskataster ist. Der vorgestellte Ansatz ermöglicht den Übergang vom bisherigen statischen Konzept der Emissionskataster hin zu einer dynamischeren Betrachtungsweise des N2O-Spurengasaustausches, bei der auch Klima- und Landnutzungsänderungen berücksichtigt werden können. Allerdings wurde in dieser Studie ebenfalls die Notwendigkeit weiterer detaillierter Messkampagnen deutlich, welche für die Kalibrierung prozess-orientierter Modelle unverzichtbar sind.