Analyse und Interpretation des Bestandesleitwerts g c abgeleitet aus 10 Jahren EC-Messung an zwei landwirtschaftlichen Standorten im Osterzgebirge

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Albert Fiedler
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1 Umweltwissenschaften, Fachrichtung Wasserwesen, Institut für Hydrologie und Meteorologie, Professur Meteorologie Analyse und Interpretation des Bestandesleitwerts g c abgeleitet aus 10 Jahren EC-Messung an zwei landwirtschaftlichen Standorten im Osterzgebirge Uwe Spank, Thomas Grünwald, Barbara Köstner, Uta Moderow und Christian Bernhofer Dr. U. Spank Tel.: Mail: Uwe.Spank@tu-dresden.de Dresden,

2 Inhalt (1) Review des Modellkonzepts nach Penman-Monteith (2) Vorstellung der Untersuchungsstandorte und Messmethoden (3) Diskussion der Abhängigkeit von g c zu meteorologischen Einflussgrößen (4) Diskussion und Interpretation der innerjährlichen Varianz von g c (5) Zusammenfassung 2

3 Widerstandsanalogie meteorlogischer Antrieb R n, VPD, u U r a r c Latenter Wärmefluss (LE) bzw. Evapotranspiration (ET) I R n... Strahlungsbilanz VPD Sättigungsdefizit (Vapour Pressure Deficit) als Funkt. der Lufttemperatur T und der Luftfeuchte RH u Windgeschwindigkeit r a... aerodynamischer Widerstand Stoff- bzw. Energieaustausch zwischen Oberfläche und Atmosphäre g a = r a aerodynamischer Leitwert r c... Bestandeswiderstand stomatäre und über Kutikula erfolgende Wasserabgabe pflanzenphysiologische Steuerung (Stomata) g c = r c Bestandesleitwert 3

4 Das Penman-Monteith-Modell LE = s ( R G) n + g a ρ s(t) + γ 1 + a g g c a c p VPD LE = L ET latenter Wärmestrom ET Evapotranspiration L... Verdampfungswärme R n... Strahlungsbilanz G Bodenwärmestrom VPD = e*(t) e Wasserdampfdefizit e* = e*(t) Sättigungsdampfdruck als Funktion der Lufttemperatur T e aktueller Dampfdruck s = s(t) Steigung der Sättigungsdampfdruckkurve als Funktion der Lufttemperatur T ρ a Dichte der Luft c P. spez. Wärmekapazität der umgebenden Luft γ Psychrometerkonstante, γ 0.65 hpa K -1 g a aerodynamischer Leitwert g c Bestandesleitwert Invertierung/ Umstellung nach g c Ableitung von g c aus gemessenem LE g c... Bestandesleitwert pflanzenphysiologische Steuerung 4

5 Untersuchungsstandorte Wintergerste Winterraps Winterweizen Futtermais Sommergerste [Google Earth, ] 5

6 Messsysteme und Messgrößen Closed-Path-Eddy-Kovarianz-Messsystem Messung des turbulenten Stoff- und Energieaustauschs (H, LE EC, F C ) Messung der Strahlungsbilanz und aller Strahlungsbilanzkomponenten Ableitung des latenten Wärmefluss (bzw. der Evapotranspiration) als Restglied der Energiebilanz: LE EB = R n G H Schließungslücke: LE EB > LE EC Korrektur bzw. Aufteilung der Schließungslücke mittels Bowenverhältnis: LE Bowen Referenz/Standardwert für diese Präsentation Messung meteorologischer Standardvariablen Niederschlag, Luftfeuchte und Lufttemperatur, Bodentemperatur und Bodenfeuchte, Windgeschwindigkeit und Windrichtung 6

7 Analyse meteorologischer Einflussfaktoren Fokussierung auf pflanzenphysiologische Reaktion Tagesmittel T a 5 C Reduktion des Einfluss von Tau- und Interzeptionsverdunstung Analyse unter Trockenwetterbedingung VPD > 1hPa, RH < 90% zeitlicher Abstand zu registrierten Niederschlagsereignissen 3h (tags) bzw. 5h (nachts) Minimierung von Effekten der phänologischen Entwicklung Analyse basierend auf gleitenden 2wöchigen Datenfenster Minimierung von Störungen bei der Eddy- Kovarianz-Messung Ausschluss stark labiler bzw. stark stabiler Luftschichtung -1 < ϛ < 1 ausreichend Turbulenz u* > 0.2 m/s 7

8 Analyse meteorologischer Einflussfaktoren signifikante Korrelation zu R G bzw. PAR typische Tagesgänge Tagesgang von g c Abhängigkeit von g c von R g [Beispiel: Winterweizen, ] 8

9 Analyse meteorologischer Einflussfaktoren signifikante Abhängigkeit von g c von R G bzw. PAR erklärt 20% bis 80% der Varianz von g c Stärke des Zusammenhangs hängt von phänologischer Phase ab (höchste Korrelation im Frühsommer Phasen mit höchster pflanzenphysiologischer Aktivität) KEINE signifikanten Abhängigkeiten zu VPD und Windgeschw. u gefunden Abhängigkeit zu T a wechselseitige Abhängigkeit zu R G 9

10 Jahresgang des maximalen Bestandesleitwerts g c Abgeleitet aus zweiwöchigen gleitenden Datenfenstern orange: arithmetisches Mittel rot: Median sowie 25 und 75% Perzentil Hintergrund: h c g c,max tritt NICHT bei maximaler Wuchshöhe h c bzw. maximalen LAI auf ähnliches Verhalten auch bei der Lichtnutzungseffizienz LUE (light use efficiency) = GPP/PAR Beispiel: Futtermais Aussaat: Ernte:

11 Jahresgang des maximalen Bestandesleitwerts g c Abgeleitet aus zweiwöchigen gleitenden Datenfenstern orange: arithmetisches Mittel rot: Median sowie 25 und 75% Perzentil Hintergrund: h c g c,max tritt NICHT bei maximaler Wuchshöhe h c bzw. maximalen LAI auf Leitwert von unbewachs., Boden in ähnlicher Größenordnung wie g c,max Fehlinterpretationen durch Vergleich mit LUE vermeidbar Beispiel (oben): Futtermais Aussaat: Ernte: Beispiel (unten): Futtermais Aussaat: Ernte:

12 maximale g c - Werte unterschiedlicher landwirtschaftlicher Kulturen Maximale Bestandesleitfähigkeit g c im Frühsommer (Phase mit höchster Bruttoprimärproduktion); abgeleitet aus halbstündlichen EC-Messdaten; dargestellt: 10, 25, 50, 75 und 90%-Perzentil sowie arithmetisches Mittel 12

13 maximale g c - Werte in Abhängigkeit der Vegetationshöhe am Graslandstandort Maximale Bestandesleitfähigkeit g c in Abhängigkeit der Vegetationshöhe am Graslandstandort; abgeleitet aus halbstündlichen EC-Messdaten; dargestellt: 10, 25, 50, 75 und 90%-Perzentil sowie arithmetisches Mittel 13

14 Zusammenfassung Jahresgang deutlich durch phänologische Entwicklung geprägt deutliche Korrelation zwischen g c,max und Wuchshöhe bzw. LAI zu Beginn der Vegetationsperiode ABER Maximum im Jahresgang tritt vor Erreichen der maximalen Wuchshöhe bzw. des maximalen LAI auf weiterer Rückgang im Zuge von Fruchtreife und Absterben der Biomasse Leitwerte von unbewachsenen Boden in ähnlicher Größenordnung wie Maxima der Bestandesleitwerte Bedeutung der Bodenverdunstung (Verdunstung aus Bodenmatrix) von vielen hydrologischen Modellen unterschätzt bzw. unzureichend berücksichtigt Effekte von Bodenfeuchte und Trockenheit an gewählten Untersuchungsstandorten nicht nachweisbar 14

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