Forschungszentrum Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte - FZKA 6898

N und C Spurengasaustausch und Erstellung eines N₂O-Emissionskatasters für tropische Regenwälder Australiens

Ralf Kiese

Zusammenfassung
N und C Spurengasaustausch und Erstellung eines N₂O-Emissionskatasters für tropische Regenwälder Australiens

In scharfem Kontrast zur Bedeutung tropischer Regenwälder als wichtige Quelle innerhalb des globalen N₂O-Budgets steht die derzeit nur äußerst begrenzte Anzahl von veröffentlichten N₂O-Flussraten aus diesen Ökosystemen. Problematisch ist auch, dass bislang zeitlich hoch aufgelöste Messungen von N₂O-Emissionen aus tropischen Wäldern über längere Zeiträume fehlten. Diese sind jedoch erforderlich, um einerseits die Unsicherheiten der Abschätzung der N₂O-Quellstärke auf Standortsebene zu verringern. Andererseits bilden solche Messungen die Grundlage für eine verlässliche Weiterentwicklung und Validierung prozessorientierter Modelle, die nach heutigem Stand des Wissens als das meist aussichtsreichste Werkzeug angesehen werden müssen, um die Abschätzung von N- und C-Spurengasemissionen auf regionaler und/ oder globaler Ebene qualitativ zu verbessern.

Im Rahmen dieser Arbeit wurden daher zeitlich hoch aufgelöste Datensätze des N₂O-, CH₄ und CO₂-Spurengasaustauschs zwischen verschiedenen tropischen Regenwaldböden Australiens und der Atmosphäre erarbeitet. Es ist dabei weltweit erstmals gelungen, den saisonalen Verlauf der N₂O-Emissionen und der CH₄-Aufnahme des Bodens eines Tieflandregenwaldes in mindestens täglicher Auflösung über ein komplettes Jahr zu bestimmen. Anhand begleitender Untersuchungen zu den Umweltbedingungen (z.B. Niederschlag, Bodenfeuchte, Bodentemperatur), der Bestimmung standörtlicher Unterschiede der Bodeneigenschaften (z.B. pH-Wert, C/N-Verhältnis, Textur) sowie durchgeführter Prozessanalysen (z.B. Messung von Brutto-Nitrifikationsraten) konnten wesentliche, die Höhe der N₂O-Emissionen auf Prozessebene regelnde Wirkungszusammenhänge aufgezeigt werden. Basierend auf dieser im Rahmen der vorliegenden Arbeit gewonnenen umfangreichen Datengrundlage wurde das prozessorientierte Modell PnET-N-DNDC, das ursprünglich zur Simulation von N- und C-Spurengasemissionen aus temperaten Wäldern entwickelt wurde, derart weiterentwickelt, dass es nunmehr auch zur Simulation von N₂OEmissionen aus tropischen Waldökosystemen eingesetzt werden kann. Nach erfolgreicher Validierung des Modells wurde dieses mit einer GIS-Datenbank gekoppelt, um erstmals ein detailliertes N₂O-Spurengasinventar für ein ausgewähltes größeres tropisches Regenwaldgebiet berechnen zu können. Die für das Gebiet der Wet Tropics, Australien, durchgeführte Fallstudie zeigt, dass die tropische PnET-N-DNDC- Version ein elegantes wie zuverlässiges Werkzeug zur Regionalisierung von N₂O-Emissionen aus Böden tropischer Regenwälder darstellt.

N and C trace gas exchange and calculation of a N₂O-emission inventory for tropical rainforest ecosystems in Australia

Abstract

In contrast to the significant importance of tropical rainforests as one of the major single sources within the global N₂O budget the estimate of their source strength is still based on a small number of published data. Furthermore, long term measurements of N₂O-emissions from these ecosystems are still missing. However, more detailed measurements of N₂Oemissions from different tropical rainforest ecosystems are urgently required to better understand the major environmental drivers controlling the magnitude of N₂O-emissions. Such measurements are also needed to further develop and validate biogeochemical models, which simulate all processes and mechanism involved in N- and C-trace gas emissions from soils, and thus, at present provide the most promising tool to upscale emissions from the site to a regional or even global scale.

Hence, in the framework of this study the trace gas exchange of N₂O, CH₄ and CO₂ between tropical forest ecosystems and the atmosphere was recorded in high temporal resolution. This study shows for the first time world-wide measurements of the seasonality of N₂O-emissions and CH₄-uptake of a tropical lowland rainforest over an entire year in at least daily time intervals. With accompanying investigations on the influence of environmental conditions

(e.g. precipitation, soil moisture, soil temperature) and soil properties (e.g. pH, C/N ratio, soil texture) as well as by the results of process studies, like site differences in gross nitrification rates, the main factors controlling the magnitude of N₂O-emissions on the process scale could be evaluated. On basis of the extensive database the PnET-N-DNDC model, which was originally developed to explicitly model biogeochemical cycling of C and N and associated biosphere-atmosphere exchange of N- and C-trace gases in temperate forest ecosystems, was further developed for its application to tropical rainforest ecosystems. After successful model validation the PnET-N-DNDC model was linked to a GIS database in order to calculate for the first time a detailed N₂O-emission inventory for a larger tropical rainforest area (Wet Tropics, Australia). The results of this case study revealed, that the further developed version of PnET-N-DNDC is a smart and reliable tool for up scaling N₂O-emissions from tropical rainforest soils.

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