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Fach Botanik - Klimawandel und Vegetation -
PD Dr. Manfred Forstreuter

Zusammenfassung

In dieser Arbeit wurde ein mechanistischer Ansatz zur Modellierung ökophysiologischer Tellprozesse in Buchenbeständen vorgestellt. Überlegungen zur Lichtinterzeption, zu kleinskaligen mikroklimatischen Bedingungen und zum Gaswechsel wurden miteinander kombiniert, um eine Darstellung photosynthetisch relevanter Teilprozesse aufzuzeigen. Auf der Grundlage bestehender Modelle wurden Teilmodelle, wie die PENMAN-MONTEITH-FORMEL zur Berechnung der Transpirationsraten, das JARVIS-PRINZIP zur Abschätzung der stomatären Leitfähigkeit für Wasserdampf und empirische Abschätzfunktionen zur Berechnung der Stamm- und Bodenatmungsraten, hinzugefügt und miteinander kombiniert. Verbesserte iterative Verfahren (Newtonsche Einzelschrittverfahren) zur Lösung des nicht-linearen Gleichungssystems innerhalb des FARQUHAR-MODELLES wurden neu implementiert.

Bei der Modellanwendung konnte vor allem die Frage der Auswirkungen erhöhter atmosphärischer CO₂-Konzentrationen geklärt werden, aber auch die Reaktionen auf andere abiotische Faktoren wurden in die Betrachtungen einbezogen.

Verglichen wurden die simulierten CO₂-Gaswechselraten und Transpirationsraten mit Messdaten aus einem langjährigen CO₂-Begasungsversuch. Die Messungen wurden an juvenilen Buchen erhoben, die unter Freilandbedingungen in Minigewächshäusern bei kontrollierten CO₂-Außenkonzentrationen (350 µl l^-1 und 700 µl l^-1 ) heranwuchsen.

Der Vergleich gemessener und simulierter Tagesgänge zeigte bei der Anwendung eines vertikalen Stickstoffprofiles und damit einer Variation physiologisch wichtiger Kenngrößen innerhalb des Bestandes, wie der maximalen Carboxylierungsgeschwindigkeit oder der maximalen Elektronentransportrate, eine gute Übereinstimmung der CO₂-Gaswechselraten. Die H₂O-Austauschraten wurden deutlich unterschätzt, auch wenn man einen gewissen Evaporationsanteil hinzunehmen würde. Dieser Trend wurde auch durch die Tageswerte einer verlängerten Messperiode bestätigt.

Unter erhöhten CO₂-Wachstumsbedingungen konnten einerseits veränderte physiko-chemische Eigenschaften, als auch veränderte strukturelle Eigenschaften innerhalb des Kronendaches festgestellt werden, die zu höheren Nettophotosynthese- aber auch zu erhöhten Stamm- und Bodenatmungsraten führten. Geringere Blattleitfähigkeiten bewirkten hingegen eine Abnahme der Transpirationsraten. Ein fiktiver Anstieg der Außentemperaturen hat in den Modellrechnungen einen signifikanten Anstieg der verschiedenen Atmungsraten hervorgerufen, so dass insgesamt geringere CO₂-Nettoaustauschraten des Bestandes an einem ausgewählten Tag prognostiziert wurden. Veränderte strukturelle Eigenschaften innerhalb des Kronraumes wirkten sich ebenfalls sensitiv auf die CO₂/H₂O-Austauschraten aus, und beeinflussten vor allem das Lichtklima innerhalb des Modellbestandes. Höhere Winkelangaben zu Ast- und Blattstellung ließen mehr Licht in den Bestand eindringen und begünstigten so den Gasaustausch. Die Verschiebung des Kronenmittelpunktes in den oberen Kronenbereich bewirkte ebenfalls eine Steigerung der CO₂/H₂O-Gaswechselraten durch eine bessere Ausnutzungseffizienz des Strahlungsangebotes.

Somit eignen sich für die Berechnung von Bestandes- oder Baumgaswechselraten mechanistische Modelle sehr gut, da sie Vorhersagen über Änderungen im Gasaustausch und Wasserhaushalt bei Veränderungen des Klimas, vor allem im Hinblick auf CO₂, ermöglichen.