Environmental Monitoring SS2009

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1 Environmental Monitoring SS Übersicht Im Jahr 2009 sollen im Rahmen des Moduls Environmental Modeling über eine Periode von 10 Wochen Messungen des Wasser-, Wärme- und CO 2 -Gasflusses (Bodenatmung) an der Grenze Boden-Atmosphäre sowie in der oberen Bodenzone vorgenommen werden. Hierzu werden eine bodenhydrologische Messstation mit automatischer Datenaufnahme sowie eine mikrometeorologische Messstation im Feld aufgebaut. Die Dauermessungen werden ergänzt durch Class-A-Pan-Verdunstungsmessungen und CO 2 -Gasflussmessungen an insgesamt 20 Terminen. Die Messungen finden in Kooperation mit dem Institut für Agrarrelevante Klimaforschung (von Thünen-Institut) auf dem Gelände der ehemaligen FAL in Braunschweig-Völkenrode statt. Übergeordnetes Ziel der Kampagne ist die Untersuchung möglicher Zusammenhänge zwischen CO 2 -Freisetzung aus dem Boden und den Parametern Bodentemperatur, Bodenfeuchte und Vegetation. Zur Variation des letztgenannten Parameters werden die Messungen simultan an zwei nebeneinanderliegenden Vergleichsplots vorgenommen, von denen einer als Grünland bewirtschaftet wird und der andere als Acker zu Beginn der Messungen noch vegetationsfrei ist. Wichtige Nebenaspekte dieser Messkampagne liegen in einem Sensorvergleich für Bodenwasser- und Matrixpotentialmessungen, sowie in der Charakterisierung der räumlichen Variabilität der betreffenden Parameter auf der Hektar-Skala. Letzteres erfordert einen Messtag, an dem manuell an ca. 100 Einzelpunkten die Parameter Biomasse, Bodenkohlenstoff, Feuchte, Gasfluss, und Lagerungsdichte bestimmt werden. Die Variabilität der Bodenatmungsmessungen soll daneben helfen, ein Probenahmedesign für eine hypothetische Klimamonitoringstation zu entwickeln. 2. Konkrete Fragestellungen 1) In welcher Weise hängen CO 2 -Gasflüsse aus Böden mit Umweltvariablen wie Temperatur, Wasserhaushalt, Pflanzenaktivität zusammen? 2) Wie gut passen Messergebnisse der selben Variablen zusammen, die mit unterschiedlichen Messtechniken erhoben wurden? 3) Wie sind räumliche Muster von CO 2 -Gasflüssen; und besteht ein Zusammenhang mit Mustern der o.g. Variablen? 3. Ausbildungsziele 1) Kenntnis von Sensoren und Techniken zur Erfassung von mikrometeorologischen, bodenhydrologischen, bodenthermischen, und Gasflussgrößen 2) Kenntnis von Auswertungs- und Darstellungsmethoden für Zeitreihen und räumliche Datensätze von Umweltvariablen 3) Simulation des Wasser- und Wärmehaushalts von Böden 4) Einübung Wissenschaftlichen Schreibens 5) Präsentationstechnik 1

2 4. Aufbau der Monitoringstationen A) Mikrometeorologische Station mit Sensoren für Globalstrahlung Strahlungsbilanz Luftdruck Lufttemperatur Luftfeuchte Windrichtung und -stärke Regenintensität (Kippwaage) Alle Sensoren werde in einer Höhe von 2 m über Grund (Ausnahme Regenmesser: 1 m über Grund) aufgebaut und automatisch geloggt. B) Class-A-Pan zur Verdunstungsmessung Dieses Evaporimeter besteht aus einem auf einem Holzgitterrahmen befestigten, mit Wasser gefüllten Kessel. Der Wasserspiegel befindet sich etwa 30 cm über der Erdoberfläche. Die Class-A-Pan hat eine Fläche von 1,17 m². Der Wasserstand wird durch einen Drucksensor gemessen und geloggt. C) Bodenhydrologische Station mit folgenden Sensoren 1) Wasserspannung: 12 x Tensiometer (UMS T8) mit integriertem Temperatursensor; Messbereich pf 0 bis pf 2.8 2

3 2) Wasserspannung: 10 x Kapazitiver Sensor (Decagon MPS-1) (Testgeräte zum Verfahrensvergleich), Messbereich pf 2 bis pf 3.7 3) Wassergehalt: 12 x TDR- Antennen (Typ TRASE, buriable Waveguide, Anschluss an Multiplexer) 4) Wassergehalt: 10 x kapazitiver Sensor (Decagon 10HS) (Testgeräte zum Verfahrensvergleich) 5) Temperatur: Temperatursensoren (UMS TH2). D) Gasflussmessungen erfolgen manuell mit einem Haubenmesssystem Licor 6400 an 2x6 fest installierten Messringen. Zwei mal pro Woche Messung von 1) CO 2 -Fluss 2) H 2 O-Fluss 3) Vegetationshöhe. 3

4 5. Versuchsprogramm und Zeitplan Dienstag, 14. April und Mittwoch, 15. April: Aufbau der Monitoringstation Am Dienstag, 14. April werden auf dem Gelände der FAL die Messtationen aufgebaut. An der Grenze zwischen einem als Grünland und einem als Acker genutzten Schlag wird manuell eine Zugangsgrube zur Installation der Bodenwasserund Temperatursensorik mit ca. 0.8 m Tiefe, 1 m Breite, und 2 m Länge angelegt. In unmittelbarer Nähe der Grube wird die mikrometeorologische Station aufgebaut. Abb. 1 zeigt eine Lageskizze der Anlage. Auf den Testplots werden jeweils 6 Ringe zur Messung der Bodenatmung installiert. In die Grube werden nach dem Muster der Abb. 2 insgesamt 26 Sensoren in den Tiefenebenen 5 cm, 10 cm, 20 cm, 40 cm und 80 cm eingebracht. Abb. 1: Skizze der Lage der Monitoringstationen 4

5 TDR 10HS T8 Th2 MPS 10 TDR 10HS Th2 T8 MPS 15 Th2 20 TDR Th2 10HS T8 MPS T8 MPS Th2 TDR 10HS T8 MPS Th2 TDR 10HS Abb. 2: Skizze der Lage der Sensoren. Die Ziffern links geben die Einbautiefe der in der jeweiligen Linie gelisteten Geräte an; die Ziffern am oberen Rand den Abstand vom Grubenrand. Sensorbezeichnungen: TDR und 10HS: Wassergehaltssensoren; T8 und MPS: Matrixpotentialsensoren. Th2: Temperatursensor. Mittwoch, 15. April bis Mittwoch, 2. Juli: Messkampagne Währen der Messkampagne werden jeden Montag und Donnerstag Gasflussmessungen an jeweils 6 Ringen in beiden Flächen vorgenommen. Tab. 1 listet den Versuchsplan. Datum Messung durch Codierung AB A Achtenhagen AB B Gelleszun BC C Kleinmann BC D Miska CD E Nienstedt CD F Richter DE DE EF EF FA FA AB AB BC BC CD CD DE DE EF EF FA FA 5

6 Dienstag, 5. Mai: Flutung der Testflächen Auf den Messplots soll einmalig ein besonders starkes Signal erzeugt werden. Hierzu werden die Untersuchungsflächen mit einer Beetumrandung eingefasst und mit ca. 300 mm Wasser beaufschlagt. Ende Mai/ Anfang Juni: Untersuchungen zur räumlichen Variabilität Die Messungen zur räumlichen Variabilität der Bodenatmung sollen entweder abends/nachts oder an einem strahlungsarmen Tag durchgeführt werden, um durch den Tagesgang der Strahlung verursachte Schwankungen zum umgehen. 6. Aufgaben Teil 1: Monitoring 1) Datendarstellung und Prüfung Alle Sensoren werden über Datalogger im 15-Minuten-Takt automatisch geloggt. Der Logger wird einmal in der Woche ausgelesen. Die ausgelesenen Daten werden zu nächst in einer Rohdatenbank archiviert, als Rohdaten visualisiert, auf Ausreißer und Plausibilität geprüft, ggf. manuell korrigiert, und in einer Datenbank abgelegt. Die aufbereiteten Daten weren als EXCEL-Files sowie in grafischer Aufbereitung über eine Webseite zugänglich gemacht. 2) Korrelationen zwischen Sensoren Die über die Wassergehaltssensoren sowie über die Wasserspannungssensoren ermittelten Daten werden in Korrelationsdiagrammen dargestellt und auf Zusammenhang geprüft. Der Zusammenhang wird quantifiziert, die Daten auf Plausibilität, Bias und Streuung qualifiziert. 3) Ermittlung der potentiellen Verdunstung Die mikrometeorologischen Basisgrößen werden zur Berechnung der potentiellen Verdunstung nach Penman herangezogen. Die ermittelten Verdunstungswerte werden mit alternativen Verdunstungsabschätzungen (nach Haude) verglichen. 4) Ermittlung des potentiellen Wasserflusses an der Bodenoberfläche Die Regenschreiberdaten werden mit Daten des deutschen Wetterdienstes am Standort abgeglichen, und in Hinblick auf Übereinstimmung qualifiziert. Die Summierung von Niederschlag und potentieller Verdunstung ergibt den potentiellen Wasserfluss and er Bodenoberfläche 5) Ermittlung des aktuellen Wasserflusses an der Bodenoberfläche Der aktuelle Wasserfluss ergibt sich aus einer modellgestützten Bilanzierung der Veränderung des Bodenwasservorrates. Näheres dazu im Abschnitt Modellierung 6) Bestimmung der CO 2 -Flüsse auf zwei unterschiedlichen Landnutzungssystemen CO 2 -Flüsse aus der autotrophen und heterotrophen Respiration des Bodens werden mit einem Haubesystem (Licor 6400) quantifiziert und Korrelationen zwischen Prädiktorvariablen Bodenfeuchte, Bodentemperatur und Vegetation ermittelt. 6

7 Teil 2: Räumliche Variabilität 1) Installation und Einmessen von ca. 100 Ringen (genestetes Design) 2) Messung der Bodenatmung an allen Punkten 3) Messung der Bodentemperatur 4) Messung der Bodenfeuchte mit verschiedenen Methoden 5) Probenahme zur Erfassung des volumetrischen Wassergehaltes, der Lagerungsdichte und des Bodenkohlenstoffs 6) Erfassung der Biomasse Auswertung: Korrelationsanalysen, Geostatistik Teil 3: Modellierung Bodenwasserhaushalt... wird ergänzt. Stand: ; letzte Bearbeitung, W. Durner 7