Modeling oil palm monoculture and its associated impacts on land-atmosphere carbon, water and energy fluxes in Indonesia

In dieser Studie wird ein neues Modul “CLM-Palm” für mehrjährige Nutzpflanzen zur Modellierung einer funktionellen Gruppe (plant functional type) für Ölpalmen im Rahmen des Community Land Models (CLM4.5) entwickelt, um die Auswirkungen der Transformation eines tropischen Waldes in eine Ölpalmenplantage auf die Kohlenstoff-, Wasser- und Energieflüsse zwischen Land und Atmosphäre zu quantifizieren. Um die Morphologie der Ölpalme möglichst detailgetreu darzustellen (das heißt, dass ungefähr 40 Phytomere einen mehrschichtigen Kronenraum formen), wird in dem Modul CLM-Palm eine phänologische und  physiologische Parametrisierung auf Skalen unterhalb des Kronraums eingeführt, so dass jedem Phytomer sein eigenes prognostisches Blattwachstum und seine Erntekapazität zugeordnet wird, während Stamm und Wurzeln gemeinsam genutzt werden. Das Modul CLM-Palm wurde ausschließlich für Ölpalmen getestet, ist aber auch für andere Palmarten (z. B. Kokospalmen) interessant.  Im ersten Kapitel dieser Arbeit werden Hintergrund und Motivation dieser Arbeit vorgestellt. In Kapitel 2 wird die Entwicklung des Haupt- bzw. Kernmodells beschrieben,  inklusive Phänologie und Allokationsfunktionen zur Simulation des Wachstums und des Ertrags der Palme PFT, wodurch die Basis zur Modellierung  der biophysikalischen und biogeochemicalischen Kreisläufe innerhalb dieser Monokultur bereitgestellt wird. Die neuen Parameter für die Phänologie und die Allokation wurden sorgfältig mit Feldmessungen des Blattflächenindexes (LAI), des Ertrags und der Nettoprimärproduktion (NPP) verschiedener Ölpalmenplantagen auf Sumatra (Indonesien) kalibriert und validiert. Die Validierung zeigte die Eignung von CLM-Palm zur adäquaten Vorhersage des mittleren Blattwachstums und Ertrags für verschiedene Standorte und repräsentiert in ausreichendem Maß die signifikante Variabilität bezüglich des Stickstoffs und Alters von Standort zu Standort.  In Kapitel 3 wird die weitere Modellentwicklung und die Implementierung eines Norman-Mehrschichtmodells für den Strahlungstransport vorgestellt, das an den  mehrschichtigen Kronenraum der Ölpalme angepasst ist. Dieses Norman-Mehrschichtmodell des Strahlungstransports zeigte im Vergleich zu dem in CLM4.5 implementierten Standardmodell (basierend auf großen Blättern) bei der Simulation der Licht-Photosynthese-Kurve leichte Verbesserungen und hat  lediglich marginale Vorteile gegenüber dem ebenfalls in CLM4.5 implementierten alternativen statistischen Mehrschichtmodell.  Dennoch liefert das Norman-Modell eine detailliertere und realistischere Repräsentation des Belaubungszustands wie etwa dem dynamischen LAI, der Blattwinkelverteilung in verschiedenen Höhen, und ein ausgewogeneres Profil der absorbierten photosynthetisch aktiven Strahlung (PAR). Die Validierung mit Hilfe der Eddy-Kovarianz Flussdaten zeigte die Stärke von CLM-Palm bei der Simulation der Kohlenstoffflüsse, offenbarte aber auch Abweichungen in der simulierten Evapotranspiration (ET), dem sensiblen und dem latenten Wärmefluss (H und LE). Eine Reihe von hydrologischen Messungen im Kronenraum wird in Kapitel 4 beschrieben. Dies beinhaltet eine Adaption des in CLM4.5 eingebauten Standardmodells für Niederschlag, Interzeption und Speicherfunktionen für die speziellen Merkmale eines Ölpalmen-Kronenraums. Die überarbeitete Hydrologie des Kronenraums behob die Probleme bei der Simulation der Wasserflüsse (ET und Transpiration im Kronenraum) und verbesserte die Energieaufteilung zwischen H und LE. Kapitel 5 dokumentiert die Implementierung eines neuen dynamischen Modells für Stickstoff (nitrogen, N) in CLM-Palm zur Verbesserung der Simulation der C- und N-Dynamik, insbesondere mit Bezug auf den N-Düngeeffekte in landwirtschaftlich genutzten Systemen. Das dynamische N-Modell durchbricht die Limitierung des Standardmodells in CLM4.5, mit fixierter C-N-Stöchiometrie und erlaubt die Variation des C:N-Verhältnisses in lebendem Gewebe in Abhängigkeit der N-Verfügbarkeit und dem N-Bedarf der Pflanze.  Eine Reihe von Tests bezüglich der Düngung zeigte beispielhaft die Vorteile des dynamischen N-Modells, wie zum Beispiel die Verbesserung des Netto-Ökosystemaustauschs (net ecosystem exchange, NEE), ein realistischeres C:N-Verhältnis im Blatt, eine verbesserte Repräsentation der Effizienz des Stickstoffeinsatzes (nitrogen-use efficiency, NUE), sowie der Effekte von Düngung auf Wachstum und Ertrag. Abschließend wird in Kapitel 6 eine Anwendungsstudie gezeigt, in der die zentralen Modellentwicklungen aus den vorangegangenen Kapiteln verwendet werden. Eine junge und eine  erntereife Ölpalmenplantage sowie ein Primärregenwald wurden simuliert und verglichen. Sie wiesen klare Unterschiede in den C-Flüssen und in den biophysikalischen Merkmalen (z.B. ET und Oberflächentemperatur) auf. Ölpalmenplantagen können durch Wachstumsentwicklung (im Alter von etwa 4 Jahren)  ebenso hohe und darüber hinausgehende C-Assimilation und Wassernutzungsraten erreichen wie Regenwälder, haben jedoch im Allgemeinen eine höhere Oberflächentemperatur als eine bewaldete Fläche – dies gilt auch für erntereife Plantagen. Eine Simulation des Übergangs, die zwei Rotationsperioden mit Neubepflanzungen alle 25 Jahre umspannt, zeigte dass der Anbau von Ölpalmen auf längeren Zeitskalen lediglich in etwa die Hälfte des ursprünglichen C-Speichers der bewaldeten Fläche vor dem Kahlschlag  rückspeichern kann. Das im Boden gespeicherte C nimmt in einer bewirtschafteten Plantage aufgrund des begrenzten Streurücklaufs langsam und graduell ab. Insgesamt reduziert die Umwandlung eines Regenwaldes in eine Ölpalmenplantage die langfristigen C-Speicher und die Kapazität der Fläche zur C-Sequestrierung und trägt potentiell zur Erwärmung der Landoberfläche bei – trotz des schnellen Wachstums und der hohen C-Assimilationsrate einer stark gedüngten Plantage. Zur Einschätzung der regionalen und globalen Effekte der Ausbreitung der Kultivierung von Ölpalmen auf die Austauschprozesse zwischen Land und Atmosphäre und auf das Klima ist es notwendig eine Upscaling-Studie durchzuführen

Carbon sequestration potential of street tree plantings in Helsinki

Cities have become increasingly interested in reducing their greenhouse gas emissions and increasing carbon sequestration and storage in urban vegetation and soil as part of their climate mitigation actions. However, most of our knowledge of the biogenic carbon cycle is based on data and models from forested ecosystems, despite urban nature and microclimates differing greatly from those in natural or forested ecosystems. There is a need for modelling tools that can correctly consider temporal variations in the urban carbon cycle and take specific urban conditions into account. The main aims of our study were to (1) examine the carbon sequestration potential of two commonly used street tree species (Tilia x vulgaris and Alnus glutinosa) growing in three different growing media by taking into account the complexity of urban conditions and (2) evaluate the urban land surface model SUEWS (Surface Urban Energy and Water Balance Scheme) and the soil carbon model Yassol5 in simulating the carbon sequestration of these street tree plantings at temporal scales (diurnal, monthly, and annual). SUEWS provides data on the urban microclimate and on street tree photosynthesis and respiration, whereas soil carbon storage is estimated with Yasso. These models were used to study the urban carbon cycle throughout the expected lifespan of street trees (2002-2031). Within this period, model performances were evaluated against transpiration estimated from sap flow, soil carbon content, and soil moisture measurements from two street tree sites located in Helsinki, Finland. The models were able to capture the variability in the urban carbon cycle and transpiration due to changes in environmental conditions, soil type, and tree species. Carbon sequestration potential was estimated for an average street tree and for the average of the diverse soils present in the study area. Over the study period, soil respiration dominated carbon exchange over carbon sequestration due to the high initial carbon loss from the soil after street construction. However, the street tree plantings turned into a modest sink of carbon from the atmosphere on an annual scale, as tree and soil respiration approximately balanced the photosynthesis. The compensation point when street tree plantings turned from an annual source into a sink was reached more rapidly - after 12 years - by Alnus trees, while this point was reached by Tilia trees after 14 years. However, these moments naturally vary from site to site depending on the growing media, planting density, tree species, and climate. Overall, the results indicate the importance of soil in urban carbon sequestration estimations.Peer reviewe

Net ecosystem exchange of carbon dioxide and water of far eastern Siberian Larch (Larix cajanderii) on permafrost.

Observations of the net ecosystem exchange of water and CO₂ were made during two seasons in 2000 and 2001 above a Larch forest in Far East Siberia (Yakutsk). The measurements were obtained by eddy correlation. There is a very sharply pronounced growing season of 100 days when the forest is leaved. Maximum half hourly uptake rates are 18 &micro;mol m^-2 s^-1; maximum respiration rates are 5 &micro;mol m^-2 s^-1. Net annual sequestration of carbon was estimated at 160 gCm^-2 in 2001. Applying no correction for low friction velocities added 60 g C m^-2. The net carbon exchange of the forest was extremely sensitive to small changes in weather that may switch the forest easily from a sink to a source, even in summer. June was the month with highest uptake in 2001. <P style='line-height: 20px;'> The average evaporation rate of the forest approached 1.46 mm day^-1 during the growing season, with peak values of 3 mm day^-1 with an estimated annual evaporation of 213 mm, closely approaching the average annual rainfall amount. 2001 was a drier year than 2000 and this is reflected in lower evaporation rates in 2001 than in 2000. <P style='line-height: 20px;'> The surface conductance of the forest shows a marked response to increasing atmospheric humidity deficits. This affects the CO₂ uptake and evaporation in a different manner, with the CO₂ uptake being more affected. There appears to be no change in the relation between surface conductance and net ecosystem uptake normalized by the atmospheric humidity deficit at the monthly time scale. The response to atmospheric humidity deficit is an efficient mechanism to prevent severe water loss during the short intense growing season. The associated cost to the sequestration of carbon may be another explanation for the slow growth of these forests in this environment

Understanding of Coupled Terrestrial Carbon, Nitrogen and Water Dynamics—An Overview

Coupled terrestrial carbon (C), nitrogen (N) and hydrological processes play a crucial role in the climate system, providing both positive and negative feedbacks to climate change. In this review we summarize published research results to gain an increased understanding of the dynamics between vegetation and atmosphere processes. A variety of methods, including monitoring (e.g., eddy covariance flux tower, remote sensing, etc.) and modeling (i.e., ecosystem, hydrology and atmospheric inversion modeling) the terrestrial carbon and water budgeting, are evaluated and compared. We highlight two major research areas where additional research could be focused: (i) Conceptually, the hydrological and biogeochemical processes are closely linked, however, the coupling processes between terrestrial C, N and hydrological processes are far from well understood; and (ii) there are significant uncertainties in estimates of the components of the C balance, especially at landscape and regional scales. To address these two questions, a synthetic research framework is needed which includes both bottom-up and top-down approaches integrating scalable (footprint and ecosystem) models and a spatially nested hierarchy of observations which include multispectral remote sensing, inventories, existing regional clusters of eddy-covariance flux towers and CO2 mixing ratio towers and chambers

Decadal water balance of a temperate Scots pine forest (Pinus sylvestris L.) based on measurements and modelling

We examined the water balance components of an 80-year-old Scots pine (Pinus sylvestris L.) forest stand in the Campine region of Belgium over a ten year period using five very different approaches; our methods ranged from data intensive measurements to process model simulations. Specifically, we used the conservative ion method (CI), the Eddy Covariance technique (EC), an empirical model (WATBAL), and two process models that vary greatly in their temporal and spatial scaling, the ORCHIDEE global land-surface model and SECRETS a stand- to ecosystem-scale biogeochemical process model. Herein we used the EC technique as a standard for the evapotranspiration (ET) estimates. Using and evaluating process based models with data is extremely useful as models are the primary method for integration of small-scale, process level phenomena into comprehensive description of forest stand or ecosystem function. Results demonstrated that the two process models corresponded well to the seasonal patterns and yearly totals of ET from the EC approach. However, both WATBAL and CI approaches overestimated ET when compared to the EC estimates. We found significant relationships between several meteorological variables (i.e., vapour pressure deficit [VPD], mean air temperature [Tair], and global radiation [Rg]) and ET on monthly basis for all approaches. In contrast, few relationships were significant on annual basis. Independent of the method examined, ET exhibited low inter-annual variability. Consequently, drainage fluxes were highly correlated with annual precipitation for all approaches examined, except CI

Modeling whole-tree carbon assimilation rate using observed transpiration rates and needle sugar carbon isotope ratios

• Understanding controls over plant–atmosphere CO2 exchange is important for quantifying carbon budgets across a range of spatial and temporal scales. In this study, we used a simple approach to estimate whole-tree CO2 assimilation rate (ATree) in a subalpine forest ecosystem. • We analysed the carbon isotope ratio (δ13C) of extracted needle sugars and combined it with the daytime leaf-to-air vapor pressure deficit to estimate tree water-use efficiency (WUE). The estimated WUE was then combined with observations of tree transpiration rate (E) using sap flow techniques to estimate ATree. Estimates of ATree for the three dominant tree species in the forest were combined with species distribution and tree size to estimate and gross primary productivity (GPP) using an ecosystem process model. • A sensitivity analysis showed that estimates of ATree were more sensitive to dynamics in E than δ13C. At the ecosystem scale, the abundance of lodgepole pine trees influenced seasonal dynamics in GPP considerably more than Engelmann spruce and subalpine fir because of its greater sensitivity of E to seasonal climate variation. • The results provide the framework for a nondestructive method for estimating whole-tree carbon assimilation rate and ecosystem GPP over daily-to weekly time scales

Carbon fluxes in a mature deciduous forest under elevated CO₂

This PhD thesis addressed several major aspects of the carbon (C) cycle in a c. 100-year-old, mixed deciduous forest under elevated CO₂ with an emphasis on below-ground processes. The aim was to assess the responses of tree fine roots and soil respiration to canopy CO₂ enrichment (? 550 ppm) in this tallest forest studied to date. Furthermore, leaf gas-exchange of the five study species was examined to ascertain the long-term response of photosynthetic carbon uptake to elevated atmospheric CO₂. Investigations at the Swiss Canopy Crane (SCC) experimental site were guided by the following key questions: (1) Does below-ground C allocation to fine root production increase in response to CO₂ enrichment in order to acquire more nutrients to match the enhanced C supply in the forest canopy? (2) Is below-ground metabolism enhanced and therefore forest soil respiration stimulated by canopy CO₂ enrichment? (3) Is leaf-level photosynthesis persistently stimulated by elevated CO₂ in this stand or had these mature broad-leaved trees reduced their carbon up- take by photosynthetic down-regulation under long-term CO₂ enrichment? Findings from earlier studies at the SCC site, including 13C isotope tracing, all point towards an in- creased flux of C through CO₂-enriched trees to the soil but neither fine root biomass nor soil respiration were stimulated by elevated CO₂. Surprisingly, fine root biomass in bulk soil and ingrowth cores showed strong reductions by ? 30% in year five and six but were unaffected in the following seventh year of CO₂ enrichment. Given the absence of a positive biomass response of fine roots, we assumed that the extra C assimilated in the CO₂-enriched forest canopy was largely respired back to the atmosphere via increases in fine root and rhizosphere respiration and the metabolization of increased root derived exudates by soil microbes. Indeed, 52% higher soil air CO₂ concentration during the growing season and 14% greater soil microbial biomass both in- dicated enhanced below-ground metabolism in soil under CO₂-enriched trees. However, this did not translate into a persistent stimulation of soil respiration. At times of high or continuous precipitation soil water savings under CO₂-exposed trees (resulting from reduced sapflow) led to excessive soil moisture (> 45 vol.-%) impeding soil gas-exchange and thus soil respiration. Depending on the interplay between soil temperature and the consistently high soil water content in this stand, instantaneous rates of soil respiration were periodically reduced or increased under elevated CO₂ but on a diel scale and integrated over the growing season soil CO₂ emissions were similar under CO₂-enriched and control trees. Soil respiration could therefore not explain the fate of the extra C. The lacking sink capacity for additional assimilates led us to assume downward adjustment of photosynthetic capacity in CO₂-enriched trees thereby reducing carbon uptake in the forest canopy. Photosynthetic acclimation cannot completely eliminate the CO₂-driven stimulation in carbon uptake, but a reduction could hamper the detection of a CO₂ effect considering the low statistical power inevitably involved with such large-scale experiments. However, after eight years of CO₂ enrichment we found sustained stimulation in leaf photosynthesis (42-49%) indicating a lack of closure in the carbon budget for this stand under elevated atmospheric CO₂

Carbon dynamics and management in Canadian boreal forests : triplex-flux model development, validation, and applications

La forêt boréale, seconde aire biotique terrestre sur Terre, est actuellement considérée comme un réservoir important de carbone pour l'atmosphère. Les modèles basés sur le processus des écosystèmes terrestres jouent un rôle important dans l'écologie terrestre et dans la gestion des ressources naturelles. Cette thèse examine le développement, la validation et l'application aux pratiques de gestion des forêts d'un tel modèle. Tout d'abord, le module récemment développé d'échange du carbone TRIPLEX-Flux (avec des intervalles de temps d'une demi heure) est utilisé pour simuler les échanges de carbone des écosystèmes d'une forêt au peuplement boréal et mixte de 75 ans dans le nord est de l'Ontario, d'une forêt avec un peuplement d'épinette noire de 110 ans localisée dans le sud de Saskatchewan, et d'une forêt avec un peuplement d'épinette noire de 160 ans située au nord du Manitoba au Canada. Les résultats des échanges nets de l'écosystème (ENE) simulés par TRIPLEX-Flux sur l'année 2004 sont comparés à ceux mesurés par les "tours de mesures de covariance des turbulences" et montrent une bonne correspondance générale entre les simulations du modèle et les observations de terrain. Le coefficient de détermination moyen (R2) est approximativement de 0.77 pour le peuplement mixte boréal, et de 0.62 et 0.65 pour les deux forêts d'épinette noire situées au centre du Canada. Le modèle est capable d'intégrer les variations diurnes de l'échange net de l'écosystème (ENE) de la période de pousse (de mai à août) de 2004 sur les trois sites. Le peuplement boréal mixte ainsi que les peuplements d'épinette noire agissaient tous deux comme des réservoirs de carbone pour l'atmosphère durant la période de pousse de 2004. Cependant le peuplement boréal mixte montre une plus grande productivité de l'écosystème, un plus grand piégeage du carbone ainsi qu'un meilleur taux de carbone utilisé comparé aux peuplements d'épinette noire. L'analyse de la sensibilité a mis en évidence une différence de sensibilité entre le matin et le milieu de journée, ainsi qu'entre une concentration habituelle et une concentration doublée de CO2. De plus, la comparaison de différents algorithmes pour calculer la conductance stomatale a montré que la production nette de l'écosystème (PNE) modélisée, utilisant une itération d'algorithme est conforme avec les résultats utilisant des rapports Ci/Ca constants de 0.74 et de 0.81 respectivement pour les concentrations courantes et doublées de CO2. Une variation des paramètres et des données variables de plus ou moins 10% a entrainé, respectivement pour les concentrations courantes et doublées de CO2, une réponse du modèle inférieure ou égale à 27.6% et à 27.4%. La plupart des paramètres sont plus sensibles en milieu de journée que le matin excepté pour ceux en lien avec la température de l'air, ce qui suggère que la température a des effets considérables sur la sensibilité du modèle pour ces paramètres/variables. L'effet de la température de l'air était plus important dans une atmosphère dont la concentration de CO2 était doublée. En revanche, la sensibilité du modèle au CO2 qui diminuait lorsque la concentration de CO2 était doublée. \ud Sachant que, les incertitudes de prédiction des modèles proviennent majoritairement des hétérogénéités spatio-temporelles au cœur des écosystèmes terrestres, à la suite du développement du modèle et de l'analyse de sa sensibilité, sept sites forestiers à tour de mesures de flux (comportant trois forêts à feuilles caduques, trois forêts tempérées à feuillage persistant et une forêt boréale à feuillage persistant) ont été sélectionnés pour faciliter la compréhension des variations mensuelles des paramètres du modèle. La méthode de Monte Carlo par Markov Chain (MCMC) à été appliquée pour estimer les paramètres clefs de la sensibilité dans le modèle basé sur le processus de l'écosystème, TRIPLEX-Flux. Les quatre paramètres clefs sélectionnés comportent: un taux maximum de carboxylation photosynthétique à 25°C (Vmax), un taux du transport d'un électron (Jmax) saturé en lumière lors du cycle photosynthétique de réduction du carbone, un coefficient de conductance stomatale (m), et un taux de référence de respiration à 10°C (R10). Les mesures de covariance des flux turbulents du CO2 échangé ont été assimilées afin d'optimiser les paramètres pour tous les mois de l'année 2006. Après que l'optimisation et l'ajustement des paramètres ait été réalisée, la prédiction de la production nette de l'écosystème s'est améliorée significativement (d'environ 25%) en comparaison avec les mesures de flux de CO2 réalisés sur les sept sites d'écosystèmes forestiers. Les résultats suggèrent, dans le respect des paramètres sélectionnés, qu'une variabilité plus importante se produit dans les forêts à feuilles larges que dans les forêts d'arbres à aiguilles. De plus, les résultats montrent que l'approche par la fusion des données du modèle incorporant la méthode MCMC peut être utilisée pour estimer les paramètres basés sur les mesures de flux, et que des paramètres saisonniers optimisés peuvent considérablement améliorer la précision d'un modèle d'écosystème lors de la simulation de sa productivité nette et cela pour différents écosystèmes forestiers situés à travers l'Amérique du Nord. Finalement, quelques uns de ces paramètres et algorithmes testés ont été utilisés pour mettre à jour l'ancienne version de TRIPLEX comportant des intervalles de temps mensuels. En outre, le volume d'un peuplement et la quantité de carbone de la biomasse au dessus du sol des forêts d'épinette noire au Québec sont simulés en relation avec un peuplement des âges, cela à des fins de gestion forestière. Ce modèle a été validé en utilisant à la fois une tour de mesure de flux et des données d'un inventaire forestier. Les simulations se sont avérées réussies. Les corrélations entre les données observées et les données simulées (R2) étaient de 0.94, 0.93 et 0.71 respectivement pour le diamètre à l.3 m, la moyenne de la hauteur du peuplement et la productivité nette de l'écosystème. En se basant sur les résultats à long terme de la simulation, il est possible de déterminer l'âge de maturité du carbone du peuplement considéré comme prenant place à l'époque où le peuplement de la forêt prélève le maximum de carbone, avant que la récolte finale ne soit réalisée. Après avoir comparé l'âge de maturité du volume des peuplements considérés (d'environ 65 ans) et l'âge de maturité du carbone des peuplements considérés (d'environ 85 ans), les résultats suggèrent que la récolte d'un même peuplement à son âge de maturité de volume est prématuré. Décaler la récolte d'environ vingt ans et permettre au peuplement considéré d'atteindre l'âge auquel sa maturité du carbone prend place, mènera à la formation d'un réservoir potentiellement important de carbone. Aussi, un nouveau diagramme de la gestion de la densité du carbone du peuplement considéré, basé sur les résultats de la simulation, a été développé pour démontrer quantitativement les relations entre les densités de peuplement, le volume de peuplement et la quantité de carbone de la biomasse au dessus du sol à des stades de développement variés, dans le but d'établir des régimes de gestion de la densité optimaux pour le rendement de volume et le stockage du carbone. \ud ______________________________________________________________________________ \ud MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : écosystème forestier, flux de CO2, production nette de l'écosystème, eddy covariance, TRIPLEX-Flux module, validation d'un modèle, Markov Chain Monte Carlo, estimation des paramètres, assimilation des données, maturité du carbone, diagramme de gestion de la densité de peuplemen