| dc.contributor.advisor | Knohl, Alexander Prof. Dr. | |
| dc.contributor.author | Braden-Behrens, Jelka | |
| dc.date.accessioned | 2018-10-10T10:22:04Z | |
| dc.date.available | 2018-10-10T10:22:04Z | |
| dc.date.issued | 2018-10-10 | |
| dc.identifier.uri | http://hdl.handle.net/11858/00-1735-0000-002E-E4C3-B | |
| dc.identifier.uri | http://dx.doi.org/10.53846/goediss-7080 | |
| dc.identifier.uri | http://dx.doi.org/10.53846/goediss-7080 | |
| dc.language.iso | eng | de |
| dc.rights.uri | http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/ | |
| dc.subject.ddc | 570 | de |
| dc.title | The isotopic composition of CO2 and H2Ov fluxes in a managed beech forest - Instrument tests and ecological application of two laser-based absorption spectrometers | de |
| dc.type | cumulativeThesis | de |
| dc.title.translated | Die Isotopenkomposition von CO2 und H2Ov Flüssen in einem bewirtschafteten Buchenwald - Instrumententests und ökologische Anwendung zweier laserbasierter Absorptionsspektrometer | |
| dc.contributor.referee | Knohl, Alexander Prof. Dr. | |
| dc.date.examination | 2018-06-05 | |
| dc.description.abstractger | Stabile isotope bieten wertvolle Einblicke in den gekoppelten Kohlendioxid (CO2) und Wasserdampf (H2Ov) Kreislauf auf Skalen von einem Blatt bis hin zu globalen Skalen. Vor allem bezogen auf Anwendungen unter Feldbedingungen haben neuere Entwicklungen laserbasierter Messtechniken das Potential der Erforschung von CO2- und H2Ov-Austauschprozessen mittels stabiler Isotope verstärkt. Hier stellen wir zwei Experimente vor, in denen zwei laserbasierte Infrarotspektrometer und zwei Methoden auf Ökosystemskala genutzt werden um die Isotopenkomposition verschiedener Komponenten des CO2 und H2Ov Kreislaufs zu messen. Beide Experimente wurden in einem bewirtschafteten Buchenwald in Mitteldeutschland durchgeführt und analysieren jeweils zwei Isotope gleichzeitig. Wir haben die delta 13C- und delta 18O-Komposition des nächtlichen CO2-Austauschs (Respiration) mit der Keeling-Plot-Methode gemessen, sowie die delta 18O- und delta D-Komposition der Evapotranspiration (ET) mit der Eddy-Kovarianz-Methode. Die beiden hier verwendeten Laserspektrometer sind neu konzipiert und entwickelt und bedurften umfassenden Instrumententests. Deswegen zeigen wir Instrumentencharakteristika für beide Spektrometer, beispielsweise bezüglich Präzision und Genauigkeit. Unsere Ergebnisse zeigen, dass mit einer intensiven Kalibrierstrategie Präzisionen und Genauigkeiten erreicht werden, die vergleichbar zu denen anderer häufiger genutzter laserbasierter Spektrometern sind. Die Kombination der beiden Spektrometer mit den beiden Methoden auf Ökosystemskala ermöglichte die Erfassung der zeitlichen Variabilität der verschiedenen Flusskomponenten mit Unsicherheiten die kleiner sind als die gemessene saisonale Variabilität. Die Unsicherheit der mit der Keeling-Plot-Methode gemessenen Isotopenkomposition des nächtlichen CO2-Austauschs ist 0.8 permil für delta 13C sowie delta 18O (auf 90 min Zeitskala) und die Unsicherheit der mit der Eddy-Kovarianz-Methode gemessenen Isotopenkomposition der ET ist 0.5 permil für delta 18O und 1 permil für deltaD (auf stündlicher Zeitskala). Die gemessenen Zeitreihen lassen direkt bestimmte Eigenschaften der zugrundeliegenden Prozesse erkennen, wie eine deutliche Abnahme der delta 18O-Komposition des nächtlichen CO2-Austauschs im Anschluss an ein kurzes und frühes Schneeereignis. Im Falle der ET erlaubt der Ansatz der dualen Isotopenanalyse (d.h. ein Plot in der delta 18O-delta D-Ebene) eine Unterscheidung zwischen evaporations- und transpirationsdominierten Perioden. Darüber hinaus fanden wir durch die Korrelation der Isotopenkomposition des nächtlichen CO2-Austauschs mit potenziellen meteorologischen Treibern heraus, dass die delta 13C-Werte der Respiration für die Zeitperiode in welcher der Wald eine CO2-Senke darstellt mit der gemessenen Nettostrahlung zusammenhängt. Diese Korrelation hat einen zeitlichen Abstand, der mit der Zeit zwischen Assimilation und Respiration übereinstimmt. Das Vorzeichen dieser Korrelation hingegen widerspricht einer Interpretation dieser Korrelation über 13C-Diskriminierung während der Assimilation. Bezogen auf die Isotopenkomposition des H2Ov über dem Wald, fanden wir keinerlei Hinweise darauf, dass ET die gemessene zeitliche Variation dominiert - weder auf täglicher noch auf saisonaler Zeitskala, insbesondere auch nah über dem Blattwerk und während einer Zeit großer Transpiration. Abschließend folgern wir, dass die Messung der Isotopenkomposition in CO2 and H2Ov-Flüssen zusätzliche Informationen über die zugrunde liegenden Prozesse liefert. Die simultane Messung von delta 13C und delta 18O in CO2 sowie von delta 18O und delta D in H2Ov hebt zudem das Potential von Messgeräten hervor, die zwei Isotope gleichzeitig analysieren können. | de |
| dc.description.abstracteng | Stable isotopes provide valuable insights into the coupled carbon dioxide (CO2) and water vapor (H2Ov) cycle on scales ranging from one leaf to global. In particular for applications under field conditions, recent progress in laser-based measurement techniques enhanced the potential of stable isotope research to investigate CO2 and water vapor (H2Ov) exchange processes. Here we present two experiments which use two laser-based infrared spectrometers and two ecosystem-scale methods to measure isotopic compositions of different parts of the CO2 and H2Ov cycle. Both experiments were carried out in a managed beech forest in central Germany and simultaneously analyze two isotopes. We measured delta 13C and delta 18O of nighttime CO2 exchange (respiration) with the Keeling plot method as well as delta 18O and delta D of evapotranspiration (ET) with the eddy covariance method. The two laser spectrometers used in this study were newly designed and developed and needed rigorous instrument tests. Thus, we present instrument characteristics such as accuracy and precision for both analyzers. Our results show that, with an intense calibration strategy, the accuracy and precision of the two laser-based analyzers are comparable to other more frequently used laser-based spectrometers. Combining these two spectrometers with the two ecosystem-scale methods enabled us to capture the temporal variability of the different flux components with uncertainties below the observed seasonal variability. With the Keeling plot approach, the uncertainty of the measured isotopic composition of nighttime CO2 exchange is 0.8 permil for both delta 13C and delta 18O (based on 90 min timescale) and the uncertainty of the eddy covariance measurements of the isotopic composition of ET is 0.5 permil for delta 18O and 1 permil for delta D (on hourly timescale). The obtained time series directly reveal distinct characteristics of the underlying processes, such as a sharp (30 permil in 10 days) decrease in the delta 18O composition of nighttime CO2 exchange after a short and early snow event. In the case of ET, the dual isotope approach (i.e. a plot in the delta 18O-delta D-plane) allows to separate the transpiration-dominated from the evaporation-dominated periods. Further, correlating the isotopic composition of nighttime CO2 exchange with potential meteorological drivers, we found that for the period when the ecosystem was a net CO2 sink the delta 13C of nighttime CO2 exchange is linked to net radiation. This correlation has a time-lag consistent with the time lag between assimilation and respiration. However, the sign of this correlation disagrees with an interpretation of this correlation with 13C discrimination during assimilation. Regarding the isotopic composition of H2Ov above the forest, we found no evidence that ET dominantly drives its temporal variability on both diurnal and seasonal timescale, even if measured close to the canopy and when transpiration is high. Conclusively this thesis shows that measurements of the stable isotopic compositions in CO2 and H2Ov fluxes provide additional information about the underlying processes. Simultaneous measurements of delta 13C and delta 18O in CO2 on the one hand and simultaneous measurements of delta 18O and deltaD in H2Ov on the other hand highlight the potential of instruments capable of dual isotope analysis. | de |
| dc.contributor.coReferee | Bowling, David Prof. Dr. | |
| dc.contributor.thirdReferee | Hölscher, Dirk Prof. Dr. | |
| dc.subject.ger | Stabile Isotope | de |
| dc.subject.ger | Kohlenstoffdioxid | de |
| dc.subject.ger | Wasserdampf | de |
| dc.subject.ger | Eddy-Kovarianz | de |
| dc.subject.ger | Keeling-Plot | de |
| dc.subject.ger | Respiration | de |
| dc.subject.ger | Evapotranspiration | de |
| dc.subject.eng | stable isotopes | de |
| dc.subject.eng | carbon dioxide | de |
| dc.subject.eng | water vapor | de |
| dc.subject.eng | eddy covariance | de |
| dc.subject.eng | Keeling plot | de |
| dc.subject.eng | respiration | de |
| dc.subject.eng | evapotranspiration | de |
| dc.identifier.urn | urn:nbn:de:gbv:7-11858/00-1735-0000-002E-E4C3-B-3 | |
| dc.affiliation.institute | Fakultät für Forstwissenschaften und Waldökologie | de |
| dc.subject.gokfull | Forstwirtschaft (PPN621305413) | de |
| dc.identifier.ppn | 1032590467 | |