Turbulent exchange of energy, water and carbon between crop canopies and the atmosphere : an evaluation of multi-year, multi-site eddy covariance data

Abstract

The increase of anthropogenic CO2 emissions and other greenhouse gases has raised concern about climate change. Climate change has manifold impacts on yield and yield quality, crop rotations, carbon and nitrogen cycling, water regime and agricultural production systems. To understand its consequences on environmental systems, measuring the matter and energy exchange at the land surface provides data to help validate and inform a wide range of process models. Such flux measurements at the land-surface provide an opportunity to test simulations of processes in the soil-plant-atmosphere continuum. Currently, such measurements are mainly based on the eddy covariance (EC) method, for the quality of which the energy balance closure (EBC) is a problem. The EBC significantly influences the calibration and validity of land-surface models, especially in regard to the energy and water balance at the Earth’s surface. The EBC quantifies the deviation between turbulent fluxes and available energy. It is crucial to obtain high-quality EC measurements to determine the reasons for the EBC. The research aims of this dissertation were: 1) to clarify the role of minor storage and flux terms in the energy balance, 2) to determine the possible reasons for the energy imbalance using a long-term dataset (2010-2017) from agricultural croplands, and 3) to investigate the effects of region, site, year and crop type on carbon fluxes and budgets. In the first study (Chapter 2) the contribution of minor storage terms to the EBC were investigated. I also determined the contribution of ground heat fluxes calculated by different methods. A harmonic analysis method was used to calculate ground heat fluxes from measurements of heat flux plates and soil temperature sensors. Soil heat storage and enthalpy change in the plant canopy were determined at different locations within the EC footprint. Considering minor storage terms improved the energy balance closure on average by 5.0 % in 2015 and by 6.8 % in 2016. The greatest energy balance closure improvement occurred in May of both study years. The dominant fraction of minor energy storage was energy uptake and release through photosynthesis and respiration. Additionally, the energy fluxes related to soil temperature change were also observed. The ground heat flux calculated by harmonic analysis from soil heat flux plates narrowed the EBC by 3 % compared to the calorimetric method. The results indicated that the typical correction approach to achieve energy balance closure, i.e. the Bowen-ratio method, overestimated the turbulent fluxes. The second study (Chapter 3) investigated the effects of crop type, site characteristics, wind directions, atmospheric conditions and footprint on the EBC. The long-term evaluation of EC measurements showed that, with the EC method, 25 % of the available energy could not be detected. Decreasing the flux footprint area increases the chance of a more homogeneous area. Homogeneity plays an important role in achieving a better energy balance closure. The synthesis of long-term EC data indicated that the sonic anemometer is very sensitive to orientation, not allowing accurate measurements from all wind directions. Discarding the measurements from wind directions 0° and 90° at EC4 improved the EBC from 80 to 84 %. In the third study, presented in Chapter 4, a long-term and multi-site experiment was evaluated to clarify the effects of site, year and region on the CO2 fluxes and budgets in agroecosystems. The net ecosystem exchange of CO2 fluxes – measured on six sites during eight years – was comprehensively examined. Winter rapeseed had the lowest CO2 uptake, cropping of silage maize resulted in the highest C losses. The management of harvest residues was the most effective means of controlling the C budgets. Comparing the CO2 fluxes processed with the recently developed ogive optimization method versus the conventional calculation showed that eliminating low-frequency contributions had a considerable effect. On average, the ogive optimization method delivered 6.9 % higher net ecosystem exchange rates than the conventional method. This dissertation provides new insights into how to obtain better measurements of matter and energy fluxes from EC measurements by a) considering storage terms otherwise neglected, b) using harmonic analysis for calculating ground heat fluxes, c) discarding fluxes from behind the anemometer and d) applying the ogive optimization method.

Der Anstieg der anthropogenen, klimawandelverursachenden Emissionen von Kohlenstoffdioxid und anderer Treibhausgase löst Besorgnis aus. Der Klimawandel hat vielfältige Auswirkungen auf Ertrag und Ertragsqualität, Fruchtfolgen, Kohlenstoff- und Stickstoffkreislauf, Wasserregime und insgesamt das landwirtschaftliche Produktionssystem. Um die Auswirkungen auf Umweltsysteme zu verstehen, werden zur Optimierung und Validierung von Prozessmodellen Messungen des Stoff- und Energieaustauschs an der Landoberfläche durchgeführt. Dies ermöglicht es, Prozesse im Boden-Pflanze-Atmosphäre-Kontinuum detaillierter zu simulieren. Gegenwärtig basieren solche Messungen hauptsächlich auf der Eddy-Kovarianz-Methode (EC), im Rahmen derer die nicht vollumfängliche Energiebilanzschließung (EBC) ein methodisches Problem darstellt. Die EBC beeinflusst signifikant die Kalibrierung und Validierung von Landoberflächenmodellen, insbesondere hinsichtlich der Wasser- und Energiebilanz. Die EBC quantifiziert die Abweichung zwischen turbulenten Flüssen und verfügbarer Energie. Qualitativ hochwertige EC-Messungen sind wichtig, um die Gründe für die nicht vollständige EBC zu bestimmen. Die Forschungsziele waren: 1) Klärung der Rolle von geringfügigen Speicher- und Flusstermen zur Verbesserung der Energiebilanzschließung, 2) Ermittlung der möglichen Gründe für die nicht vollständig gegebene EBC anhand eines Langzeitdatensatzes (2010-2017) von landwirtschaftlichen Nutzflächen, und 3) Untersuchung der Auswirkungen von Region, Standort, Jahr und Fruchtart auf Kohlenstoffflüsse und -bilanzen. In der ersten Studie (Kapitel 2) wurde der Beitrag von geringfügigen Speichertermen zur EBC untersucht. Dabei wurde der Beitrag des Bodenwärmeflusses ermittelt, welcher mit verschiedenen Methoden berechnet wurde. Die Harmonische Analyse wurde verwendet, um den Bodenwärmefluss aus Messungen von Wärmeflussplatten und Bodentemperatursensoren zu berechnen. Die Wärmespeicherung des Bodens und die Enthalpieänderung im Pflanzenbestand wurden an verschiedenen Stellen innerhalb des EC-Fußabdrucks ermittelt. Unter Berücksichtigung der geringfügigen Speicherterme verbesserte sich die Schließung der Energiebilanz im Jahr 2015 um durchschnittlich 5,0 % und 2016 um 6,8 %. Die größte Verbesserung der Energiebilanzschließung trat im Mai beider Untersuchungsjahre auf. Der dominierende Anteil der geringfügigen Speicherterme war die Energieaufnahme und -freisetzung durch Photosynthese und Atmung. Zusätzlich wurden die Energieflüsse, die mit der Veränderung der Bodentemperatur zusammenhängen, untersucht. Der durch die harmonische Analyse berechnete Bodenwärmefluss erhöht die EBC um 3 % im Vergleich zur kalorimetrischen Methode. Die Ergebnisse zeigen, dass der typische Korrekturansatz für die Schließung der Energiebilanz, das Bowen-Verhältnis-Verfahren, die turbulenten Flüsse überschätzte. In der zweiten Studie (Kapitel 3) wurden die Auswirkungen von Fruchtart, Standorteigenschaften, Windrichtung, sonstigen atmosphärischen Bedingungen und des EC-Messbereichs auf die EBC untersucht. Die Langzeitauswertung zeigte, dass mit der EC-Methode 25% der verfügbaren Energie nicht erfasst werden konnten. Durch die Verringerung des EC-Messbereichs wird die Wahrscheinlichkeit einer homogeneren Fläche erhöht. Diese Homogenität spielt eine wichtige Rolle für die Erreichung einer besseren Energiebilanzschließung. Die Synthese von Langzeit-EC-Daten zeigte, dass auch die Orientierung des Ultraschallanemometers das Messergebnis stark beeinflusst. Durch Ausklammern der Messungen aus den Windrichtungen zwischen 0° und 90° bei EC4 verbesserte sich beispielsweise die EBC von 80 auf 84 %. In der dritten Studie, die in Kapitel 4 vorgestellt wird, wurde eine Langzeit- und Multi-Site-Untersuchung durchgeführt, um die Auswirkungen von Standort, Jahr und Region auf die CO2-Flüsse und Budgets in Agrarökosystemen zu analysieren. Der Netto-Ökosystemaustausch von CO2-Flüssen, gemessen an sechs Standorten während acht Jahren, wurde umfassend untersucht. Es zeigte sich, dass Winterraps die geringste CO2-Aufnahme aufweist und Silomais die höchsten C-Verluste verursacht. Das Management der Ernterückstände war das wirksamste Instrument zur Steuerung der Kohlenstoffbilanz. Ein Vergleich der CO2-Flüsse, die mit der kürzlich entwickelten Ogive-Optimierungsmethode verarbeitet wurden, zeigte im Vergleich zur herkömmlichen Berechnung, dass die Eliminierung von Niedrigfrequenzflüssen eine beträchtliche Wirkung hatte. Im Durchschnitt lieferte die Ogive-Optimierung 6.9 % höhere Netto-Ökosystem-Austauschraten als die konventionelle Methode. Diese Dissertation liefert neue Erkenntnisse darüber, wie man bessere Stoff- und Energieflussmessungen an der Landoberfläche erzielen kann: a) durch Berücksichtigung von vernachlässigten Speichertermen, b) durch Verwendung der Harmonischen Analyse zur Berechnung des Bodenwärmestroms, c) durch Ausschluss von Flüssen, die aus dem rückwärtigen Bereich des Anemometers stammen, und d) durch Anwendung der Ogive-Optimierungsmethode.