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Photosynthesis in a tropical montane rainforest of Southeast Asia: Field measurements and model analysis

dc.contributor.advisorIbrom, Andreas Prof. Dr.de
dc.contributor.authorRakkibu, Md. Golamde
dc.date.accessioned2008-06-05T15:12:12Zde
dc.date.accessioned2013-01-18T11:03:16Zde
dc.date.available2013-01-30T23:50:12Zde
dc.date.issued2008-06-05de
dc.identifier.urihttp://hdl.handle.net/11858/00-1735-0000-0006-B10C-8de
dc.description.abstractTropische Regenwälder nehmen etwa 12 % der Landoberfläche ein und man nimmt an, dass sie bis zu 55 % des Kohlenstoffs enthalten, der auf der Erde als terrestrische Biomasse gespeichert ist. Von den drei Hauptblöcken (Süd- und Zentralamerika, Afrika und Asien) der tropischen Regenwälder der Welt ist der asiatische (mit seinem Zentrum in Südostasien) am wenigsten untersucht bezüglich seiner globalen Klimaregulation durch die Kohlenstoff- und Wasserkreisläufe. Photosynthesemodelle wurden häufig benutzt für eine derartige Charakterisierung von Pflanzen und Wäldern. Das biochemische Blatt-Photosynthesemodell von Farquhar et al. (1980) wurde hier parametrisiert für ausgewählte Baumarten des tropischen Bergregenwaldes in Zentralsulawesi, Indonesien, um die Photosyntheseleistung und ihre Regulation zu charakterisieren. Die drei Schlüsselparameter des Photosynthesemodells, nämlich die maximale Carboxylation Rate von Rubisco (Vcmax), die maximale Elektronentransportkapazität (Jmax) und die Dunkelatmungsrate (Rd) wurden dabei geschätzt aus dem Zusammenhang der Blattphotosynthese (A) mit der interzellularen Kohlendioxid-Konzentration (Ci), der solaren Einstrahlung (Q) und der Blatttemperatur. Die Feldmessungen wurden im Jahr 2005 durchgeführt im Rahmen des interdisziplinären Forschungsprojekts Stability of Rainforest Margins in Indonesia (STORMA) im Lore Lindu Nationalpark in Zentralsulawesi, Indonesien. Die Ziele der Untersuchung waren (1) die Photosyntheseleistung und die Dunkelatmung (d. h. Parameterwerte für Vcmax) der Hauptbaumarten zu schätzen, (2) die Variabilität dieser Parameter zu quantifizieren, (3) die Ursachen der Variabilität zu bestimmen, (4) die Photosyntheseleistung und Atmung von der Blatt- auf die Bestandesebene zu transformieren und (5) die Bruttoprimärproduktion und Blattatmung des Waldes mit einem Bestandes-Photosynthese-Modell zu simulieren und diese Ergebnisse mit vorliegenden Messungen zu vergleichen. Die Daten zur Phototsyntheseleistung, zur Atmung sowie zu den biochemischen und morphologischen Eigenschaften wurden erhoben im Bereich des meteorologischen Messturms, der im Rahmen des STORMA-Projektes errichtet wurde. Die Photosyntheseleistung der ausgewählten Baumarten war generell hoch, was darauf hinweist, dass die Bäume dieser Wälder effizient assimilieren. Die Vcmax25 -Werte, d. h. bei 25 °C Lufttemperatur, lagen zwischen 20.0 und 61.0 µmol m-2 s-1, während die Jmax25 -Werte von 47.0 107.0 µmol m-2 s-1 reichten. Die Blattdunkelatmung (Rd) war allgemein niedrig und Rd25 lag zwischen 0.77 und 1.30 µmol m-2 s-1. Die Variation in der Temperaturabhängigheit von Vcmax, Jmax und Rd unter den Arten war viel geringer als die Variation der Werte von Vcmax, Jmax und Rd. Die gemessene Ähnlichkeit in der Temperaturabhängigkeit impliziert ähnliche physiologische Prozesse unter den Blättern und Arten des untersuchten Waldes. Die Variationsursachen in der Photosyntheseleistung (Vcmax und Jmax) und Atmung (Rd) unter den Blättern und Arten konnten sehr gut erklärt werden mit chemischen (Stickstoff- und Phosphorgehalt pro Blattfläche) und physikalischen (Blattmasse pro Blattfläche) Eigenschaften der Blätter. Dabei erklärte die Blattstickstoffkonzentration (Na, g m-2) die Variation der Photosyntheseparameter am besten. Insgesamt gab es eine enge und signifikante lineare Beziehung zwischen physiologischen Modellparametern und Blattstickstoffgehalt. Trotz der artspezifischen Unterschiede in der Photosyntheseleistung und Atmung war es möglich, die Messungen auf Blattebene auf die Bestandesebene zu transformieren. Ebenso konnte die Bestandesphotosyntheseleistung simuliert werden und die Ergebnisse stimmten überraschend gut mit Messungen des turbulenten Flusses überein. Die physiologischen Parameter für das Bestandesphotosynthesemodell wurden dabei abgeleitet, indem die Blattparameter mit Na und ihr Temperatureinfluss auf die Photosynthese und Atmung transformiert wurden. Zur Charakterisierung des untersuchten Waldes wurde aus den gemessenen Strukturdaten ein eindimensionaler Bestand konstruiert. An diesem wurde das Photosynthesemodell MAESTRA angewandt, um für die Monate Mai, Juni und Juli den Kohlenstoffdioxidaustausch mit den geschätzten Modellparametern und meteorologischen Messdaten zu simulieren. Die Modellergebnisse erwiesen sich als empfindlich gegenüber Parametern der Kronenstruktur und Baumphysiologie. Für die Bruttoprimärproduktion (Pg) und die Bestandes-Blattatmung (Rf) ergaben sich Raten von 7.15 g ( C ) pro m-2 Tag-1 und 3.18 pro m-2 Tag-1; im Jahr ergibt das 2608 g ( C ) bzw. 1161 g ( C ) m-2. Dieser für Pg ermittelte Wert lag nur um 4.0 % unter dem aus turbulenten Flussmessungen abgeleiteten Wert. Für Pg wurde hier angenommen, dass sie nur durch die absorbierte photosynthetisch aktive Strahlung (Qabs) bestimmt wird, was zu einer konstanten (EGPP) führt. Dies war aber nicht der Fall bei den Modellanalysen. Pg wurde beeinflusst durch das Wasserdampfsättigungsdefizit (D) und EGPP war nicht konstant. Bei höherer Lichtintensität erwies sich Pg als gesättigt, und das nicht nur bei halbstündiger, sondern auch bei täglicher und monatlicher Zeitskala. Der Pg-Sättigungspunkt des Lichts (Qsat) nahm dabei mit höherem D ab. Diese Sättigung der modellierten Primärproduktion wurde auch beobachtet bei Lichtantwortkurven mit Daten von Eddy-Kovarianz-Flussmessungen. Diese Ergebnisse sind wichtig für die Entwicklung von Modellen zur CO2-Aufnahme von montanen tropischen Regenwäldern. Weitere Untersuchungen sind in diesen diversen Wäldern nötig, um die saisonale Variation des Pg-Sättigungspunktes zu erklären, die nicht mit Variationen im Sättigungsdefizit D korrelliert.de
dc.format.mimetypeapplication/pdfde
dc.language.isoengde
dc.rights.urihttp://webdoc.sub.gwdg.de/diss/copyr_diss.htmlde
dc.titlePhotosynthesis in a tropical montane rainforest of Southeast Asia: Field measurements and model analysisde
dc.typedoctoralThesisde
dc.title.translatedPhotosynthesis in a tropical montane rainforest of Southeast Asia: Field measurements and model analysisde
dc.contributor.refereeIbrom, Andreas Prof. Dr.de
dc.date.examination2008-05-23de
dc.subject.dnb500 Naturwissenschaftende
dc.description.abstractengTropical rain forests occupy about 12% of the terrestrial surface and are assumed to contain as much as 55% of the carbon stored in the world as terrestrial biomass. Of the three major blocks (South and Central American, African and Asian) of tropical rain forests in the world, the Asian block (centered on southeast Asia) is the least studied in terms of ecosystem functioning and of regulating the global climate through carbon and water cycles. Models of photosynthesis have been widely used for such characterization of plants and forests. The biochemically based leaf photosynthesis model of Farquhar et al. (1980) was parameterized for selected tree species of the tropical montane rainforest at central Sulawesi, Indonesia, to characterize the photosynthetic capacities and their regulations. The three key parameters of the photosynthesis model, the maximum carboxylation rate of Rubisco (Vcmax), the maximum electron transport capacity (Jmax) and the dark respiration rate (Rd) were estimated from the relationships of leaf photosynthesis (A) to intercellular carbon-dioxide concentration (Ci), irradiance (Q) and leaf temperature. The field study was conducted in 2005 within the interdisciplinary research project Stability of Rainforest Margins in Indonesia (STORMA) in the Lore Lindu National Park in Central Sulawesi, Indonesia. The objectives of the study were (i) to estimate the photosynthetic capacity and dark respiration (parameter values for Vcmax, Jmax and Rd) of major tree species, (ii) to quantify the variability in these parameters, (iii) to determine the sources of variability, (iv) to scale photosynthetic capacity and respiration from leaf level to canopy level and (v) to simulate gross primary productivity and foliage respiration of the forest, with a canopy photosynthesis model, and to compare the results of the model with the results of measurements. Data on photosynthetic capacity, respiration and leaf biochemical and morphological properties were collected around the meteorological tower built by STORMA. Photosynthetic capacity of the sampled tree species in general was found to be high, suggesting that the trees in that forest are strong assimilators. Vcmax25 values, i.e. Vcmax values at 25 °C, ranged between 20.0 and 61.0 µmol m-2 s-1, and Jmax25 values ranged between 47.0 and 107.0 µmol m-2 s-1. Foliage dark respiration (Rd) values were generally low and Rd25 ranged between 0.77 and 1.30 µmol m-2 s-1. Variations in the temperature dependence, that is activation and deactivation energies, of Vcmax, Jmax and Rd among species was much less compared to the variations in the values of Vcmax25, Jmax25 and Rd25. Measured similarity in the temperature dependence implies similarity in the physiological processes among leaves and species of the investigated forest. The sources of variation in photosynthetic capacity (Vcmax and Jmax) and respiration (Rd) among leaves and species could be well described by leaf chemical (nitrogen and phosphorus per unit area) and physical (leaf mass per unit area) properties. Leaf nitrogen concentration (Na, g m-2) described the variation of photosynthesis parameters best and overall there was a strong and significant linear relationship (P, ranging from 0.05 to 0.001 among species) between physiological model parameters and leaf nitrogen. Despite the species differences in photosynthetic capacities and respiration, it was possible to upscale leaf level measurements to canopy level. It was also possible to simulate the canopy photosynthesis with considerable agreement to the results of measured turbulent CO2 flux. Physiological parameters for a canopy photosynthesis model were derived by up-scaling leaf level parameters with Na and temperature dependencies of photosynthesis and respiration. A one-dimensional forest canopy was generated from the measured forest structure data to represent the investigated forest. The canopy photosynthesis model MAESTRA was used to simulate the carbon-dioxide exchange for the months of May, June and July, with the estimated parameters and measured meteorological data. Model outputs were sensitive to parameters related to crown structure and physiology. Simulated gross primary productivity (Pg) and canopy foliage respiration (Rf) rates were 7.15 g (C) m-2 day-1 and 3.18 g (C) m-2 day-1 respectively, in yearly terms that would be 2608 g (C) m-2 year-1 and 1161 g (C) m-2 year-1 respectively. The simulated Pg was only 4.0% less compared to the estimated value from turbulent flux measurements. Pg of the investigated forest was expected to be driven only by absorbed photosynthetically active radiation (Qabs), making a constant light use efficiency (EGPP). But that was not the case in the model investigations. It was influenced by vapour pressure saturation deficit (D) and EGPP of the investigated canopy was not constant. Pg was found to be saturated at higher light intensities, not only at half hourly time scales but also in both daily and monthly time scales. Pg saturation level of light (Qsat) was decreasing under high D. This saturation of simulated primary productivity is also seen in data of light response curves from eddy covariance flux measurements. These findings are important when developing models for CO2 fixation in tropical montane rain forests. Further studies are needed in this diverse forest to be able to explain seasonal variations in the Pg saturation level that are not connected to variations in D.de
dc.contributor.coRefereeMitlöhner, Ralph Prof. Dr.de
dc.subject.topicForest Sciences and Forest Ecologyde
dc.subject.gerPhotosynthesisde
dc.subject.gertropicalde
dc.subject.germontane rain forestde
dc.subject.germodel analysisde
dc.subject.engPhotosynthesisde
dc.subject.engtropicalde
dc.subject.engmontane rain forestde
dc.subject.engmodel analysisde
dc.subject.bk48.40de
dc.identifier.urnurn:nbn:de:gbv:7-webdoc-1811-3de
dc.identifier.purlwebdoc-1811de
dc.affiliation.instituteFakultät für Forstwissenschaften und Waldökologiede
dc.identifier.ppn596070020de


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