Land-atmosphere interactions of agroforestry systems in Germany: quantifying the ecosystem-scale carbon uptake and potential wind erosion reduction

by Justus G. V. van Ramshorst
Cumulative thesis
Date of Examination:2025-07-03
Date of issue:2025-08-11
Advisor:Prof. Dr. Alexander Knohl
Referee:Prof. Dr. Alexander Knohl
Referee:Prof. Dr. Christian Bernhofer
Persistent Address: http://dx.doi.org/10.53846/goediss-11381

 

 

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Abstract

English

The world is more frequently experiencing extreme weather conditions due to climate change. Society and agriculture face more intense long-lasting warm and dry seasons, and extreme rainfall. These intensifying weather conditions ask for a sustainable intensification of agriculture, which is more resilient to droughts and erosion, so global food production can keep being provided. In addition, mitigating and reducing carbon-dioxide (CO2) and other greenhouse gas emissions can contribute to minimizing the effect of climate change. Agroforestry could be a good alternative for monocropping (MC) croplands or grasslands by providing more resilient and adapted agriculture for climate change and additional mitigation of CO2. In the current thesis, the focus is specifically on short rotation alley-cropping agroforestry systems (AF), which are croplands or grasslands in which widely-spaced parallel rows of trees are interleaved, creating natural alleyways. The more heterogeneous landscape of AF is known to provide a range of benefits such as, an altered microclimate which is more resilient for weather extremes, reduced soil erosion, improved biodiversity, and an improved carbon uptake. Despite that it is expected that wind erosion is reduced and the carbon uptake is improved over time with AF, wind erosion reduction has not been quantified and the carbon uptake over time is only measured with intermittent point measurements of the soil and partial harvest of trees. Therefore, the aims of the current thesis are to (1) compare and asses the continuous net ecosystem-scale carbon uptake of short rotation alley-cropping agroforestry and adjacent monocropping, and (2) quantify the potential wind erosion reduction by short rotation alley-cropping agroforestry. To be able to measure the ecosystem-scale carbon uptake at AF and MC, an additional aim was to (3) characterize and evaluate novel lower-cost eddy covariance (LC-EC) setups. To achieve these aims, continuous eddy covariance (EC) measurements of the carbon exchange over four AF systems and four adjacent MC systems without trees were performed in northern Germany from mid 2019--2021. The EC measurements were performed using novel LC-EC setups, which were also tested and characterized in the current work. Furthermore, using simulated wind speed reduction output from large eddy simulations in combination with local wind speed measurements, potential wind erosion reduction estimates inside one entire short rotation alley-cropping agroforestry system were made. In the first study of this thesis it was shown with simulated potential wind erosion estimates that an AF in a temperate climate could reduce the potential wind erosion by more than 80%, when the AF is well-designed and managed. Optimal wind erosion can be achieved when the tree strips are orientated perpendicular or diagonal to the main wind direction, reducing wind erosion with 92% and 86%, respectively. Besides, it was shown that the height of the tree strips needs to be in balance with the spacing in between the tree strips, and that wind erosion reduction with AF could result in reduced loss of soil organic carbon (SOC) compared to MC at locations with susceptible sandy soils. Finally, a distance of ≤48 m in between dense tree strips of only 2 m height, already provided a potential wind erosion reduction of 86% when orientated perpendicular or diagonal to the dominant wind direction. In the second study of this thesis the tested and characterized LC-EC showed good agreement with simultaneous conventional eddy covariance (CON-EC) measurements. The LC-EC CO2 fluxes were 4–7% (R² = 0.91–0.95) lower compared to the CON-EC CO2 fluxes, and the latent heat (LE) fluxes also agreed well in 2020, as the LC-EC LE fluxes were 1–5% (R² = 0.86–0.91) higher than the CON-EC LE fluxes. In 2021, the LC-EC LE fluxes overestimated the CON-EC LE fluxes by 23% (R² = 0.84), however, likely due to underestimation of the CON-EC. Despite increased uncertainty with LC-EC due to using slower response sensors, the performance of LC-EC was comparable with the variation in EC fluxes between several CON-EC setups. Therefore, it was shown that the novel LC-EC setups are a cheaper alternative to CON-EC at approximately 25% of the costs. In the third study of this thesis the continuous LC-EC measurements showed that the net ecosystem production (NEP) - or net carbon uptake - of the AF sites was significantly higher compared to the adjacent MC. The NEP at the AF croplands was on average 16--190% higher compared to MC croplands, and at the AF grassland the NEP was on average 195% higher compared to MC grassland. It was also shown that at the croplands the gross primary production (GPP) and ecosystem respiration (Reco) were between 10--35% and 9--15% higher at the AF compared to MC, respectively, and at the grassland the GPP and Reco were 13% and 31% lower at the AF compared to the adjacent MC, respectively. At the grassland site the difference in NEP between AF and MC was relatively constant for each year, however, the cropland sites showed strong yearly fluctuations, influenced by local weather conditions and soil and crop type. In addition, it is highlighted that long-term EC measurements could provide more detailed and solid understanding of the carbon balance differences between AF and MC sites, especially because long-term carbon sequestration requires an increase of the slowly accumulating SOC. Moreover, it was shown that especially at croplands carbon allocation and carbon export through harvest needs to be monitored to keep complete track on the long-term SOC accumulation or degradation. Furthermore, it was shown that the harvest of the tree strips did not systematically affect the carbon uptake of AF in the successive year, as the tree strips covered a relatively small part of the entire ecosystem. The main conclusions of this thesis are that (1) the net ecosystem-scale carbon uptake of the short rotation alley-cropping systems was significantly higher compared to the adjacent monocropping sites, and that (2) a well-designed short rotation alley-cropping agroforestry systems can provide more than 80% reduction of potential wind erosion. Furthermore, it was shown that (3) the novel lower-cost eddy covariance setups performed well and can be a cheaper alternative to costly conventional eddy covariance setups. Finally, further improvements of the LC-EC performance are possible, and future design and maintenance of AF remains an optimization process between benefits and drawback at individual site level, however some concrete suggestions are provided in the current thesis.
Keywords: Agroforestry; Short rotation alley-cropping; Monocropping; Carbon uptake; Wind erosion; Eddy Covariance; Lower-cost eddy covariance

German

Aufgrund des Klimawandels kommt es weltweit immer häufiger zu extremen Wetterbedingungen. Die Gesellschaft und Landwirtschaft sind mit intensiveren, lang anhaltenden Warm- und Trockenzeiten und extremen Niederschlägen konfrontiert. Diese sich verschärfenden Wetterbedingungen erfordern eine nachhaltige Intensivierung der Landwirtschaft, die widerstandsfähiger gegen Dürren und Erosion ist, so dass die weltweite Nahrungsmittelproduktion weiterhin gewährleistet werden kann. Darüber hinaus kann die Abschwächung und Verringerung von Kohlendioxid- (CO2) und anderen Treibhausgasemissionen dazu beitragen, die Auswirkungen des Klimawandels zu minimieren. Die Agroforstwirtschaft könnte eine gute Alternative zu Monokulturen oder Grünland sein, indem sie eine widerstandsfähigere und an den Klimawandel angepasste Landwirtschaft und eine zusätzliche Minderung von CO2 ermöglicht. In der vorliegenden Arbeit liegt der Schwerpunkt speziell auf Agroforstsystemen mit Kurzumtrieb und Alleenanbau (AF), d. h. Acker- oder Grünlandflächen, auf denen in großen Abständen parallele Baumreihen gepflanzt werden, die natürliche Alleen bilden. Es ist bekannt, dass die heterogen Struktur von Agrarforstsystemen eine Reihe von Vorteilen bieten, wie z. B. ein verändertes Mikroklima, das widerstandsfähiger gegenüber Wetterextremen ist, eine geringere Bodenerosion, eine größere Artenvielfalt und eine verbesserte Kohlenstoffaufnahme. Obwohl davon ausgegangen wird, dass die Winderosion verringert und die Kohlenstoffaufnahme im Laufe der Zeit durch die Aufforstung verbessert wird, wurde die Verringerung der Winderosion bisher nicht quantifiziert und die Kohlenstoffaufnahme im Laufe der Zeit nur mit punktuellen Messungen des Bodens und der Bäume gemessen. Ziel dieser Arbeit ist es daher, (1) die kontinuierliche Netto-Kohlenstoffaufnahme von Kurzumtriebsplantagen und angrenzenden Monokulturen auf Ökosystemebene zu vergleichen und zu bewerten und (2) die potenzielle Verringerung der Winderosion durch Kurzumtriebsplantagen zu quantifizieren. Um die Kohlenstoffaufnahme im Ökosystem bei AF und MC messen zu können, war ein zusätzliches Ziel (3) die Charakterisierung und Evaluierung neuartiger kostengünstiger Eddy-Kovarianz-Systeme (LC-EC). Um diese Ziele zu erreichen, wurden von Mitte 2019 bis 2021 in Norddeutschland kontinuierliche Eddy-Kovarianz-Messungen (EC) des Kohlenstoffaustauschs auf vier AF-Systemen und vier angrenzenden MC-Systemen ohne Bäume durchgeführt. Die EC-Messungen wurden mit neuartigen LC-EC-Systemen durchgeführt, die auch in der aktuellen Arbeit getestet und charakterisiert wurden. Darüber hinaus wurden unter Verwendung simulierter Windgeschwindigkeitsreduktionen aus Large-Eddy-Simulationen in Kombination mit lokalen Windgeschwindigkeitsmessungen Abschätzungen der potentiellen Winderosionsreduktion innerhalb eines gesamten Agroforstsystems mit Kurzumtrieb vorgenommen. Die simulierten Schätzungen der potenziellen Winderosion zeigten, dass ein Agroforstsystem in einem gemäßigten Klima die potenzielle Winderosion um mehr als 80% reduzieren kann, wenn die Agroforstfläche gut geplant und bewirtschaftet wird. Eine optimale Winderosion kann erreicht werden, wenn die Baumstreifen senkrecht oder diagonal zur Hauptwindrichtung ausgerichtet sind, wodurch die potentielle Winderosion um 92% bzw. 86% reduziert wird. Außerdem wurde gezeigt, dass die Höhe der Baumstreifen mit dem Abstand zwischen den Baumstreifen im Gleichgewicht sein muss und dass die Verringerung der Winderosion mit AF an Standorten mit anfälligen Sandböden zu einem geringeren Verlust an organischem Kohlenstoff (SOC) im Vergleich zu MC führen. Schließlich bot ein Abstand von ≤48 m zwischen dichten Baumstreifen von nur 2 m Höhe bereits eine potenzielle Winderosionsminderung von 86%, wenn sie senkrecht oder diagonal zur vorherrschenden Windrichtung ausgerichtet waren. Die getestete und charakterisierte LC-EC zeigte eine gute Übereinstimmung mit gleichzeitigen konventionellen Eddy-Kovarianz-Messungen (CON-EC). Die LC-EC-CO2-Flüsse waren 4-7% (R² = 0,91-0,95) niedriger als die CON-EC-CO2-Flüsse, und auch die Flüsse latenter Wärme (LE) stimmten 2020 gut überein, mit 1-5% (R² = 0,86-0,91) höheren LE-Flüssen vom LE-EC im Vergleich zu Flüssen mittels CON-EC gemessen. Im Jahr 2021 überschätzten die LC-EC LE-Flüsse die CON-EC LE-Flüsse um 23% (R² = 0,84), was jedoch wahrscheinlich auf eine Unterschätzung der CON-EC-Flüsse zurückzuführen ist. Trotz der erhöhten Unsicherheit bei LC-EC aufgrund der Verwendung langsamer reagierender Sensoren war die Leistung von LC-EC vergleichbar mit der Variation der EC-Flüsse zwischen verschiedenen CON-EC-Setups. Daher konnte gezeigt werden, dass die neuartigen LC-EC-Aufbauten eine kostengünstigere Alternative zu CON-EC sind, mit ungefähr 25% der Kosten eines konventionellen EC Aufbaus. Die kontinuierlichen LC-EC-Messungen zeigten, dass die Netto-Ökosystemproduktion (NEP) - oder die Netto-Kohlenstoffaufnahme - der AF-Flächen im Vergleich zu den angrenzenden MC-Flächen deutlich höher war. Die NEP auf den AF-Anbauflächen war im Durchschnitt 16--190% höher als auf den MC-Anbauflächen, und auf dem AF-Grünland war die NEP im Durchschnitt 195% höher als auf dem MC-Grünland. Es wurde auch gezeigt, dass auf den Ackerflächen die Bruttoprimärproduktion (GPP) und die Ökosystematmung (Reco) zwischen 10--35% und 9--15% auf der AF im Vergleich zur MC höher waren, und auf dem Grünland waren die GPP und Reco 13% and 31% niedriger auf der AF im Vergleich zur angrenzenden MC. Auf den Grünlandstandorten war der Unterschied im NEP zwischen AF und MC in jedem Jahr relativ konstant, während die Ackerstandorte starke jährliche Schwankungen aufwiesen, die von den lokalen Wetterbedingungen sowie der Boden- und Kulturart beeinflusst wurden. Darüber hinaus wird hervorgehoben, dass langfristige EC-Messungen ein detaillierteres und solideres Verständnis der Unterschiede in der Kohlenstoffbilanz zwischen AF- und MC-Standorten liefern könnten, insbesondere weil die langfristige Kohlenstoffbindung eine Zunahme des langsam anfallenden SOC erfordert. Darüber hinaus wird gezeigt, dass insbesondere auf Ackerflächen die Kohlenstoffverteilung und der Kohlenstoffexport durch die Ernte überwacht werden müssen, um die langfristige SOC-Akkumulation oder -degradation vollständig zu verfolgen. Darüber hinaus wurde gezeigt, dass die Ernte der Baumstreifen die Kohlenstoffaufnahme von AF im darauffolgenden Jahr nicht systematisch beeinflusst, da die Baumstreifen nur einen relativ kleinen Teil des gesamten Ökosystems ausmachen. Zusammenfassend konnte gezeigt werden, dass (1) die Netto-Kohlenstoffaufnahme auf Ökosystemebene in den Alleeanbausystemen mit Kurzumtrieb im Vergleich zu den angrenzenden Monokulturen deutlich höher war und dass (2) ein gut konzipiertes agroforstliches Alleeanbausystem im Kurzumtrieb die potenzielle Winderosion um mehr als 80% verringern könnte. Darüber hinaus wurde gezeigt, dass (3) die neuartigen, kostengünstigeren Eddy-Kovarianz-Anordnungen gut funktionieren und eine kostengünstigere Alternative zur teuren konventionellen Eddy-Kovarianz darstellen können. Schließlich sind weitere Verbesserungen der LC-EC-Leistung möglich, und die künftige Gestaltung und Wartung von AF bleibt ein Optimierungsprozess zwischen Vorteilen und Nachteilen auf individueller Standortebene, jedoch werden in der vorliegenden Arbeit einige konkrete Vorschläge unterbreitet.
 
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