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Untersuchung des globalen Kohlenstoffkreislaufs mit Hilfe der stabilen Isotope 12C und 13C

Wittenberg, Uwe


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Universität Justus-Liebig-Universität Gießen
Institut: Institut für Pflanzenökologie
Fachgebiet: Biologie
DDC-Sachgruppe: Biowissenschaften, Biologie
Dokumentart: Dissertation
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 17.11.1998
Erstellungsjahr: 1998
Publikationsdatum: 10.03.1999
Kurzfassung auf Deutsch: Die in den letzten Jahren durchgeführten Studien zum Vergleich der Vorhersagen von gitterelementbasierten Kohlenstoffkreislaufmodellen für die terrestrische
Biosphäre haben ergeben, daß die derzeitigen Kenntnisse über den Kohlenstoffkreislauf nicht ausreichen, um die teilweise gegensätzlichen Ergebnisse der
Modelle bewerten zu können. In der vorliegenden Arbeit wurden die Vorhersagen eines dieser Biosphärenmodelle, nämlich die des High-Resolution
Biosphere Model (HRBM) durch die Unterscheidung der stabilen Kohlenstoffisotope daraufhin untersucht, ob sie im Widerspruch zu Beobachtungen, im
besonderen zur CO2-Konzentration und Isotopensignatur der Atmosphäre (d13Ca) stehen. Die Unterscheidung der stabilen Kohlenstoffisotope ermöglicht es,
Schwächen im Verständnis des Kohlenstoffkreislaufs aufzudecken, die auftreten, wenn Kohlenstoffflüsse und Isotopenzusammensetzungen der
Kohlenstoffpools nicht gleichzeitig mit beobachteten Daten vereinbar sind. Die Vorhersagen des HRBM zu folgenden Aspekten des Kohlenstoffkreislaufs
wurden untersucht: Verweildauer des Kohlenstoffs in der Biosphäre, Stärke des Düngeeffekts aufgrund von Emissionen aus fossilen Energiequellen,
Kohlenstofffreisetzung durch landwirtschaftliche Flächenzunahmen und regionale Verteilung der Kohlenstoffquellen und -senken.


Ein separater Kohlenstoffkreislauf für das stabile Kohlenstoffisotop 13C wurde in das HRBM integriert. Durch Auswerten der Literatur wurden
Fraktionierungsfaktoren für die Aufnahme von Kohlenstoff in die Phytomasse, für die Produktion von organisch gebundenem Kohlenstoff im Boden (SOC) und
für den Abbau von Bestandesabfall und SOC entwickelt, die eine Bestimmung der Flußkoeffizienten im 13C-Kreislauf ermöglichten. Mit dem HRBM, das um
den 13C-Kreislauf erweitert wurde, können die Flüsse zwischen den Systempools Phytomasse, Bestandesabfall, SOC und Atmosphäre für 12C und 13C
vorhergesagt und so die Isotopenzusammensetzungen in den Pools berechnet werden.


Das Bodenmodell des HRBM wurde erweitert, da die Gegenüberstellung von d13C-Meßdaten einiger SOC-Proben mit Modellergebnissen der
Standardversion unter Berücksichtigung der Isotopentrennung ergeben hatte, daß der Beitrag des Bestandesabfalls zum SOC größer ist, als bisher im HRBM
angenommen wurde.


Die weniger starke Isotopentrennung bei der C-Assimilation nach dem C4-Weg (Dicarbonsäureweg) im Vergleich zu der nach dem C3-Weg macht eine
Unterscheidung von C3- und C4-Pflanzen im Modell erforderlich. Es wurden Modelle zur Vorhersage der Netto-Primärproduktivität (NPP) der C4-Pflanzen in
natürlicher Vegetation und in landwirtschaftlichen Kultursystemen entwickelt und ebenfalls in das HRBM integriert.


Mit dem so erweiterten HRBM wurde geprüft, ob die vorhergesagte Verweildauer von Kohlenstoff in den biosphärischen Pools ein isotopisches
Ungleichgewicht der Biosphäre in der Größenordnung erzeugt, in der es von anderen Autoren zur Erklärung der Isotopenzusammensetzung und
CO2-Konzentration der Atmosphäre herangezogen wird. Es wurden mit dem HRBM Modelläufe für die Periode 1800 bis 1987 durchgeführt, bei denen die
CO2-Konzentration und Isotopensignatur in der Modellatmosphäre vorgeschrieben wurden. Dabei ergab sich für das Jahr 1987 ein isotopisches
Ungleichgewicht der Biosphäre von 0.39 p.m.. Der 13C-Fluß aufgrund des isotopischen Ungleichgewichts beträgt 18.6 PgC p.m. a-1. Nach Schätzungen von
FRANCEY et al. (1995) und JOOS & BRUNO (1998) macht der 13C-Fluß durch das Ungleichgewicht etwa 25 bis 26 PgC p.m. a-1 aus. Der geringere 13C-Fluß
aufgrund des isotopischen Ungleichgewichts im Modell deutet darauf hin, daß die Verweildauer des Kohlenstoffs in den biosphärischen Pools länger ist, als
vom HRBM vorhergesagt wird.


In weiteren Modellexperimenten wurde die Abhängigkeit des isotopischen Ungleichgewichts von Randbedingungen des Modells untersucht. Es zeigte sich, daß
das isotopische Ungleichgewicht im wesentlichen durch die Verweildauer des Kohlenstoffs im Phytomassen- und Bestandesabfallpool bestimmt wird. Geringe
Änderungen im isotopischen Ungleichgewicht treten auf, wenn sich die Isotopentrennung bei der Aufnahme von Kohlenstoff in die Pflanzen ändert. Diese
werden vom Modell aufgrund von Verschiebungen im Anteil der C4-Pflanzen an der globalen Netto-Primärproduktion vorhergesagt.


Mit Modelläufen für die Periode 1765 bis 1987 wurde untersucht, ob der vom HRBM vorhergesagte Anstieg der CO2-Konzentration und die Abnahme des
d13Ca-Wertes der Atmosphäre mit Meßdaten in Einklang stehen. Im besonderen sollte getestet werden, ob ein stärkerer Düngeeffekt und eine größere
landwirtschaftliche Flächenzunahme, als bisher im HRBM angenommen wurden, mit den Bedingungen in der Atmosphäre vereinbar sind. Das HRBM wurde
zusammen mit einem Ozeanmodell (Pulse-Response-Funktionen des HILDA-Ozeanmodells; JOOS et al., 1996; SIEGENTHALER & JOOS, 1992) an eine
Modellatmosphäre gekoppelt, in die die Emissionen aus den fossilen Quellen vorgegeben wurden.


Für die Zeit nach 1895 wird vom Modell ein stärkerer CO2-Anstieg, nach 1965 ein geringerer CO2-Anstieg in der Atmosphäre vorhergesagt, als dies
Meßdaten zeigen ( ENTING et al., 1994). Die CO2-Konzentration in der Modellatmosphäre ist 1987 etwa 0.5 ppmv geringer als beobachtet. Die Abnahme
des d13Ca-Wertes wird nahezu während des gesamten Untersuchungszeitraums im Vergleich zu beobachteten Daten (FRIEDLI et al., 1986; KEELING et al.,
1989) überschätzt. Der d13Ca-Wert in der Modellatmosphäre beträgt für 1987 -8.1 p.m., beobachtet wurden -7.7 p.m.. Die Berechnung eines mittleren
d13C-Budgets für den Zeitraum 1970 bis 1987 ergab, daß zur Vorhersage der beobachteten Bedingungen der Beitrag des Ozeans oder der der Biosphäre um
etwa +12 PgC p.m. a-1höher sein müßte, als von den Modellen bestimmt wird. Um diesen zusätzlichen Beitrag durch Austauschflüsse zwischen Atmosphäre
und Biosphäre erbringen zu können, müßte der vorhergesagte Anteil der Biosphäre um 30% größer sein, als er vom HRBM geschätzt wird. Durch eine längere
Verweildauer des Kohlenstoffs in den Biosphärenpools, als sie vom HRBM angenommen wird, könnte der zusätzliche Beitrag teilweise erbracht werden.


Angesichts des nahezu ausgeglichenen Kohlenstoffbudgets würde die Annahme einer größeren landwirtschaftlichen Flächenzunahme, als sie bisher im HRBM
eingesetzt wurde, gleichzeitig einen stärkeren Düngeeffekt erfordern. Der Modellauf wurde wiederholt, wobei gegenüber dem letzten Lauf die
landwirtschaftliche Flächenzunahme um 38% (von 16.9 Miokm2 auf 23.3 Miokm2 im Jahr 1980) und der CO2-Düngeeffekt um 10% erhöht wurden. Die
Kohlenstoffabgabe aus der Biosphäre aufgrund der zusätzlichen Flächenumwandlungen beträgt etwa 60 PgC zwischen 1860 und 1987. Durch den gleichzeitig
verstärkten Düngeeffekt wird diese Kohlenstoffabgabe durch eine Aufnahme in die Phytomasse mehr als kompensiert: Für 1987 liegt die CO2-Konzentration in
der Modellatmosphäre mit 344 ppmv 4 ppmv unterhalb der gemessenen CO2-Konzentration. Der d13Ca-Wert ist mit -8.0 p.m. 0.3 p.m. stärker negativ als
beobachtet.


Durch Rodungen im Zuge landwirtschaftlicher Flächenzunahmen wird Kohlenstoff freigesetzt, der relativ zur Atmosphäre mit 13C angereichert ist. Durch einen
stärkeren Düngeeffekt wird zusätzlicher Kohlenstoff gebunden, dessen Isotopenzusammensetzung sich mit der der Atmosphäre im stationären Zustand befindet.
Das isotopische Ungleichgewicht, das durch diese beiden Prozesse zusätzlich entsteht, reicht offenbar nicht aus, um die Bedingungen in der Atmosphäre
erklären zu können. Aus den Modelläufen muß geschlossen werden, daß eine größere Kohlenstofffreisetzung aus der Biosphäre aufgrund einer größeren
landwirtschaftlichen Flächenzunahme in Verbindung mit einem höheren Düngeeffekt kein eindeutiges d13Ca-Signal in der Atmosphäre hinterlassen würde.


Ein weiterer Modellauf hat gezeigt, daß eine Zunahme der Isotopentrennung bei der Aufnahme von Kohlenstoff in C3-Pflanzen um 1 p.m. seit vorindustrieller
Zeit den d13Ca-Wert der Modellatmosphäre 1987 von -8.1 p.m. nach -7.9 p.m. verändert. Nach den Theorien von FARQUHAR et al. (1982, 1989) zum
Zusammenhang zwischen der Isotopentrennung bei der C-Assimilation und dem Verhältnis von interzellulärer zu atmosphärischer CO2-Konzentration würde
ein Rückgang der Isotopentrennung einen Rückgang der Menge Kohlenstoff bedeuten, die pro abgegebener Wassermenge fixiert wird (Rückgang der water
use efficiency). Dies ist für die Periode des historischen CO2-Anstiegs nach heutigem Wissensstand eher unwahrscheinlich.


In einem weiteren Modellexperiment wurde untersucht, ob die Vorhersagen des HRBM zum Vorkommen von Kohlenstoffquellen und -senken mit dem
beobachteten meridionalen d13Ca-Gradienten (0.2 p.m. stärker negative d13C-Werte im CO2 der Nordhemisphäre im Vergleich zu denen des CO2 in der
Südhemisphäre) vereinbar sind. Dazu wurden die Austauschflüsse zwischen Biosphäre und Atmosphäre als Vorhersage des HRBM für die Gitterelemente im
Jahr 1987 zusammen mit entsprechenden Austauschflüssen eines Ozeanmodells (MAIER-REIMER, 1993) und den Emissionen aus fossilen Quellen als untere
Randbedingungen in einem Transportmodell für die Atmosphäre (TM2, HEIMANN, 1995) benutzt.


Nach den Modellergebnissen erzeugen die Emissionen aus den fossilen Quellen einen meridionalen Gradienten von 0.23 p.m. mit stärker negativen Werten in
der Nord- als in der Südhemisphäre. Die Biosphäre bildet einen entgegengesetzt gerichteten Gradienten von 0.08 p.m.. Der Ozean verursacht in den höheren
Breiten etwa 0.03 p.m. stärker negative Werte als nahe am Äquator. Insgesamt wird ein meridionaler Gradient von 0.15 p.m. mit stärker negativen Werten in
der Nord- als in der Südhemisphäre vorhergesagt. Der im Vergleich zum beobachteten Gradienten (0.2 p.m.) geringere Gradient im Modell ergibt sich
aufgrund einer Senke von 0.94 PgCa-1 (Netto-13C-Fluß: 26.3 PgC p.m. a-1) in der Nordhemisphäre und einer Quelle von 0.13 PgCa-1 (Netto-13C-Fluß:
-2.2 PgC p.m. a-1) in der Südhemisphäre. Der 13C-Fluß aufgrund des isotopischen Ungleichgewichts führt wie der Netto-13C-Fluß zu einer Verringerung des
d13Ca-Gradienten in der Atmosphäre.


Sofern der Unterschied zwischen dem vorhergesagten und beobachteten d13Ca-Gradienten durch Austauschflüsse zwischen Atmosphäre und Biosphäre
bedingt ist, muß aufgrund der Ergebnisse des Modellexperiments geschlossen werden, daß der Gradient zwischen der Kohlenstoffsenke in der Nord- und der
Quelle in der Südhemisphäre geringer ist, als er vom HRBM vorhergesagt wird, oder daß Senken und Quellen räumlich näher am Äquator liegen, als sie das
HRBM zeigt. Da der meridionale d13Ca-Gradient durch saisonale Änderungen der planetaren Grenzschicht beeinflußt wird, könnte der Unterschied zwischen
dem vorhergesagten und beobachteten d13Ca-Gradienten darauf zurückzuführen sein, daß der Einfluß der planetaren Grenzschicht auf die
Isotopenzusammensetzungen des CO2 in den Hemisphären größer ist, als in dem verwendeten Transportmodell (TM2) angenommen wird.