Show simple item record

Modeling oil palm monoculture and its associated impacts on land-atmosphere carbon, water and energy fluxes in Indonesia

dc.contributor.advisorKnohl, Alexander Prof. Dr.
dc.contributor.authorFan, Yuanchao
dc.date.accessioned2016-06-03T09:34:38Z
dc.date.available2016-06-03T09:34:38Z
dc.date.issued2016-06-03
dc.identifier.urihttp://hdl.handle.net/11858/00-1735-0000-0028-876B-4
dc.identifier.urihttp://dx.doi.org/10.53846/goediss-5674
dc.identifier.urihttp://dx.doi.org/10.53846/goediss-5674
dc.description.abstractIn dieser Studie wird ein neues Modul “CLM-Palm” für mehrjährige Nutzpflanzen zur Modellierung einer funktionellen Gruppe (plant functional type) für Ölpalmen im Rahmen des Community Land Models (CLM4.5) entwickelt, um die Auswirkungen der Transformation eines tropischen Waldes in eine Ölpalmenplantage auf die Kohlenstoff-, Wasser- und Energieflüsse zwischen Land und Atmosphäre zu quantifizieren. Um die Morphologie der Ölpalme möglichst detailgetreu darzustellen (das heißt, dass ungefähr 40 Phytomere einen mehrschichtigen Kronenraum formen), wird in dem Modul CLM-Palm eine phänologische und  physiologische Parametrisierung auf Skalen unterhalb des Kronraums eingeführt, so dass jedem Phytomer sein eigenes prognostisches Blattwachstum und seine Erntekapazität zugeordnet wird, während Stamm und Wurzeln gemeinsam genutzt werden. Das Modul CLM-Palm wurde ausschließlich für Ölpalmen getestet, ist aber auch für andere Palmarten (z. B. Kokospalmen) interessant.  Im ersten Kapitel dieser Arbeit werden Hintergrund und Motivation dieser Arbeit vorgestellt. In Kapitel 2 wird die Entwicklung des Haupt- bzw. Kernmodells beschrieben,  inklusive Phänologie und Allokationsfunktionen zur Simulation des Wachstums und des Ertrags der Palme PFT, wodurch die Basis zur Modellierung  der biophysikalischen und biogeochemicalischen Kreisläufe innerhalb dieser Monokultur bereitgestellt wird. Die neuen Parameter für die Phänologie und die Allokation wurden sorgfältig mit Feldmessungen des Blattflächenindexes (LAI), des Ertrags und der Nettoprimärproduktion (NPP) verschiedener Ölpalmenplantagen auf Sumatra (Indonesien) kalibriert und validiert. Die Validierung zeigte die Eignung von CLM-Palm zur adäquaten Vorhersage des mittleren Blattwachstums und Ertrags für verschiedene Standorte und repräsentiert in ausreichendem Maß die signifikante Variabilität bezüglich des Stickstoffs und Alters von Standort zu Standort.  In Kapitel 3 wird die weitere Modellentwicklung und die Implementierung eines Norman-Mehrschichtmodells für den Strahlungstransport vorgestellt, das an den  mehrschichtigen Kronenraum der Ölpalme angepasst ist. Dieses Norman-Mehrschichtmodell des Strahlungstransports zeigte im Vergleich zu dem in CLM4.5 implementierten Standardmodell (basierend auf großen Blättern) bei der Simulation der Licht-Photosynthese-Kurve leichte Verbesserungen und hat  lediglich marginale Vorteile gegenüber dem ebenfalls in CLM4.5 implementierten alternativen statistischen Mehrschichtmodell.  Dennoch liefert das Norman-Modell eine detailliertere und realistischere Repräsentation des Belaubungszustands wie etwa dem dynamischen LAI, der Blattwinkelverteilung in verschiedenen Höhen, und ein ausgewogeneres Profil der absorbierten photosynthetisch aktiven Strahlung (PAR). Die Validierung mit Hilfe der Eddy-Kovarianz Flussdaten zeigte die Stärke von CLM-Palm bei der Simulation der Kohlenstoffflüsse, offenbarte aber auch Abweichungen in der simulierten Evapotranspiration (ET), dem sensiblen und dem latenten Wärmefluss (H und LE). Eine Reihe von hydrologischen Messungen im Kronenraum wird in Kapitel 4 beschrieben. Dies beinhaltet eine Adaption des in CLM4.5 eingebauten Standardmodells für Niederschlag, Interzeption und Speicherfunktionen für die speziellen Merkmale eines Ölpalmen-Kronenraums. Die überarbeitete Hydrologie des Kronenraums behob die Probleme bei der Simulation der Wasserflüsse (ET und Transpiration im Kronenraum) und verbesserte die Energieaufteilung zwischen H und LE. Kapitel 5 dokumentiert die Implementierung eines neuen dynamischen Modells für Stickstoff (nitrogen, N) in CLM-Palm zur Verbesserung der Simulation der C- und N-Dynamik, insbesondere mit Bezug auf den N-Düngeeffekte in landwirtschaftlich genutzten Systemen. Das dynamische N-Modell durchbricht die Limitierung des Standardmodells in CLM4.5, mit fixierter C-N-Stöchiometrie und erlaubt die Variation des C:N-Verhältnisses in lebendem Gewebe in Abhängigkeit der N-Verfügbarkeit und dem N-Bedarf der Pflanze.  Eine Reihe von Tests bezüglich der Düngung zeigte beispielhaft die Vorteile des dynamischen N-Modells, wie zum Beispiel die Verbesserung des Netto-Ökosystemaustauschs (net ecosystem exchange, NEE), ein realistischeres C:N-Verhältnis im Blatt, eine verbesserte Repräsentation der Effizienz des Stickstoffeinsatzes (nitrogen-use efficiency, NUE), sowie der Effekte von Düngung auf Wachstum und Ertrag. Abschließend wird in Kapitel 6 eine Anwendungsstudie gezeigt, in der die zentralen Modellentwicklungen aus den vorangegangenen Kapiteln verwendet werden. Eine junge und eine  erntereife Ölpalmenplantage sowie ein Primärregenwald wurden simuliert und verglichen. Sie wiesen klare Unterschiede in den C-Flüssen und in den biophysikalischen Merkmalen (z.B. ET und Oberflächentemperatur) auf. Ölpalmenplantagen können durch Wachstumsentwicklung (im Alter von etwa 4 Jahren)  ebenso hohe und darüber hinausgehende C-Assimilation und Wassernutzungsraten erreichen wie Regenwälder, haben jedoch im Allgemeinen eine höhere Oberflächentemperatur als eine bewaldete Fläche – dies gilt auch für erntereife Plantagen. Eine Simulation des Übergangs, die zwei Rotationsperioden mit Neubepflanzungen alle 25 Jahre umspannt, zeigte dass der Anbau von Ölpalmen auf längeren Zeitskalen lediglich in etwa die Hälfte des ursprünglichen C-Speichers der bewaldeten Fläche vor dem Kahlschlag  rückspeichern kann. Das im Boden gespeicherte C nimmt in einer bewirtschafteten Plantage aufgrund des begrenzten Streurücklaufs langsam und graduell ab. Insgesamt reduziert die Umwandlung eines Regenwaldes in eine Ölpalmenplantage die langfristigen C-Speicher und die Kapazität der Fläche zur C-Sequestrierung und trägt potentiell zur Erwärmung der Landoberfläche bei – trotz des schnellen Wachstums und der hohen C-Assimilationsrate einer stark gedüngten Plantage. Zur Einschätzung der regionalen und globalen Effekte der Ausbreitung der Kultivierung von Ölpalmen auf die Austauschprozesse zwischen Land und Atmosphäre und auf das Klima ist es notwendig eine Upscaling-Studie durchzuführen.de
dc.language.isoengde
dc.rights.urihttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/
dc.subject.ddc630de
dc.titleModeling oil palm monoculture and its associated impacts on land-atmosphere carbon, water and energy fluxes in Indonesiade
dc.typedoctoralThesisde
dc.contributor.refereeKnohl, Alexander Prof. Dr.
dc.date.examination2016-04-25
dc.description.abstractengIn order to quantify the effects of forests to oil palm conversion occurring in the tropics on land-atmosphere carbon (C), water and energy fluxes, this study develops a new perennial crop module CLM-Palm for simulating a palm plant functional type (PFT) within the framework of the Community Land Model (CLM4.5). To fit with oil palm’s morphology (i.e. around 40 stacked phytomers forming a multilayered canopy), CLM-Palm introduces a sub-canopy phenological and physiological parameterization so that each phytomer has its own prognostic leaf growth and fruit yield capacity but with shared stem and root components. CLM-Palm was tested on oil palm only but is meant of generic interest for other palm crops (e.g. coconut). The first chapter introduces the background and rationale of this study. Chapter 2 describes the core model development including phenology and allocation functions for simulating the growth and yield of the palm PFT, providing the basis for modeling biogeophyical and biogeochemical cycles within this monoculture system. New parameters for phenology and allocation were thoroughly calibrated and validated against field measurements of leaf area index (LAI), yield and net primary production (NPP) from multiple oil palm plantations in Sumatra, Indonesia. The validation showed the ability of CLM-Palm to adequately predict the average leaf growth and fruit yield across sites and sufficiently represent the significant nitrogen- and age-related site-to-site variability in NPP and yield. Chapter 3 introduces further model development on implementing a Norman multilayer radiative transfer scheme to fit with oil palm’s multilayer canopy. The Norman multilayer radiative transfer scheme showed slight improvements on simulating photosynthesis-light responses compared to the CLM4.5 default big-leaf model and only marginal advantages over CLM4.5’s alternative statistical multilayer solution. Nevertheless, the Norman scheme does provide more detailed and realistic representation of foliage status such as dynamic LAI and leaf angle distribution across layers, and more balanced profile of absorbed photosynthetically active radiation (PAR). Validation with eddy covariance flux data showed the strength of CLM-Palm for simulating C fluxes but revealed biases in simulating evapotranspiration (ET), sensible heat (H) and latent energy (LE) fluxes. A series of canopy hydrology experiments were conducted in Chapter 4 including adaptation of the CLM4.5 default precipitation interception and storage functions to the special traits of oil palm’s canopy. The revised canopy hydrology largely solved the biases in simulated water fluxes (ET and canopy transpiration), and improved energy partitioning of H and LE. Chapter 5 documents the implementation of a new dynamic nitrogen (N) scheme in CLM-Palm for improving the simulation of C and N dynamics, especially N fertilization effects in agriculture systems. The dynamic N scheme breaks through the limitations of the CLM4.5 default fixed C-N stoichiometry and it allows C:N ratios in live tissues to vary in response to soil N availability and plant N demand. A series of fertilization tests exemplified the advantages of the dynamic N scheme such as improved net ecosystem exchange (NEE), more realistic leaf C:N ratio, and improved representation of nitrogen use efficiency (NUE) and fertilization effects on growth and yield. Finally, an application study employing the major model developments in preceding chapters is presented in Chapter 6. A young and a mature oil palm plantations and an old growth rainforest were simulated and compared. They exhibited clear distinctions in C fluxes and biophysical properties (e.g. ET, surface temperature). Oil palm plantation can catch up and surpass the C assimilation and water use rates of rainforest through growth development (around the age of 4), but it has a general warmer ground surface than the forested site even after maturity. A transient simulation spanning two rotation periods (replanting every 25 years) showed that long-term oil palm cultivation is only able to restore about a half of the original C storage capacity of the forested site before clear-cut. Soil C stock declines slowly and gradually due to limited litter return in the managed plantation. Overall, rainforest to oil palm conversion reduces long-term C stocks and C sequestration capacity and has potential warming effects on the land surface at the site scale, despite the fast growth and high C assimilation rate of the heavily fertilized plantation. An upscaling study is needed in the future to assess the regional or global effects of oil palm expansion on land-atmosphere exchanges and climate across space and time.de
dc.contributor.coRefereeWiegand, Kerstin Prof. Dr.
dc.contributor.thirdRefereeHuang, Maoyi Dr.
dc.subject.england use changede
dc.subject.engclimate impactde
dc.subject.england surface modelingde
dc.subject.england-atmosphere interactionde
dc.subject.engcarbon cyclingde
dc.subject.engoil palm plantationde
dc.identifier.urnurn:nbn:de:gbv:7-11858/00-1735-0000-0028-876B-4-0
dc.affiliation.instituteFakultät für Forstwissenschaften und Waldökologiede
dc.subject.gokfullForstwirtschaft (PPN621305413)de
dc.identifier.ppn860435601


Files in this item

Thumbnail

This item appears in the following Collection(s)

Show simple item record