Micrometeorological measurements of CO2, H2O and energy exchanges between agroforestry systems and the atmosphere

by José Ángel Callejas Rodelas
Doctoral thesis
Date of Examination:2025-09-26
Date of issue:2025-12-11
Advisor:Prof. Dr. Alexander Knohl
Referee:Prof. Dr. Alexander Knohl
Referee:Prof. Dr. Ivan Mammarella
Referee:Prof. Dr. Annette Menzel
Persistent Address: http://dx.doi.org/10.53846/goediss-11689

 

 

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Abstract

English

Alternative land-use systems, such as agroforestry (AF), provide nature-based solutions to mitigate the impact of agriculture on climate change. Despite their multiple environmental benefits, AF systems remain poorly studied. Particularly, ecosystem-scale measurements of carbon, water and energy exchanges between AF and the atmosphere are rare and only few studies exist on the matter. The eddy covariance (EC) technique was established during the past decades as the major tool to directly quantify flux density exchanges of energy, momentum and gas species, such as CO2, over terrestrial ecosystems. Nevertheless, the requirements of EC translate into large equipment and operational costs, which impedes its implementation in numerous ecologically and sociologically important ecosystems. Moreover, spatial heterogeneity over many ecosystems compromises the reliability of EC measurements, as the flux densities quantified from a single station can only be attributed to a certain footprint area and not to the whole ecosystem. Lower-cost EC (LC-EC) setups can offer a solution to both the lack of representativeness of conventional, single tower measurements over heterogeneous sites, and to the lack of measurements over important biomes and eco-regions. This thesis was framed within a long term research project, called SIGNAL. This project consisted in the comparison of AF to open cropland (OC) or open grassland (OG) across several locations in northern Germany, with the objective to evaluate multiple ecosystem functions related to soil nutrient cycles, biodiversity abundance or yield, among others. This thesis was performed as part of the atmospheric branch of SIGNAL, that was related to the quantification of carbon sequestration, evapotranspiration and water use efficiency of AF systems, across a total of five study regions, one pair AF/OG and four pairs AF/OC. Each AF, OC or OG was equipped with an EC station and ancillary meteorological instrumentation. Concretely, the objective of this thesis was to perform, first, a validation and characterization of LC-EC setups, in comparison to conventional EC (CON-EC); and then, to study ecosystem-atmosphere energy, CO2 and H2O exchanges over the study regions. This thesis was divided in four chapters, which are listed below. First, three LC-EC setups, similar to the ones that were installed at all EC stations at the AF and OC/OG sites, were compared to a CON-EC setup. The validation was done on CO2 flux densities (FC) and latent heat flux densities (LE). The LC-EC setups performed well in comparison to CON-EC (slopes ranging from 0.95 to 1.05 for FC and from 0.78 to 0.99 for LE, while r2 coefficients were between 0.7 and 0.92). The errors arising from the LC-EC were characterized in detail. The main source of uncertainty from LC-EC was attributed to the larger need for spectral corrections. However, the setups were successfully validated, which was considered as the base work for the other sections of the thesis. Second, the spatial heterogeneity in FC, LE, sensible heat flux densities (H) and turbulence parameters was quantified across one of the AF sites. This was done by installing a distributed network of three stations equipped with LC-EC setups, following their previous validation. The temporal variability of all parameters was demonstrated to be larger than the spatial variability. However, during some periods of the growing season and after harvest of some of the crops, the spatial variability dominated, particularly for FC. Coefficients of variation were the largest for FC (values between 0.3 and 0.4), followed by LE (values between 0.2 and 0.3), and were largest for the western wind sectors due to the largest degree of heterogeneity arising from the differential crop distribution in between tree stripes. The main message from this study was that the distributed network of three LC-EC stations improved the statistical representation of flux densities across the AF site, due to its large spatial heterogeneity. Third, the processing routines developed and implemented during the previous two sections of the thesis were extended and applied to all data corresponding to a total of five pairs of AF and OC or OG regions in northern Germany. Meteorological data from the first, second and third phases of the SIGNAL project were compiled and gap-filled using ERA5-Land data as a reference. Eddy covariance flux densities (FC, LE and H) were compiled for the second and third phases of the SIGNAL project, together with other turbulence parameters, and gap-filled using a combination of marginal distribution sampling and Extreme Gradient Boosting. Finally, FC was partitioned into gross primary production (GPP) and ecosystem respiration (RECO). Hence, we produced a harmonized, completely gap-filled dataset from a total of ten stations. Two of them corresponded to a paired grassland AF and OG, while the remaining eight corresponded to four pairs of cropland AF and OC. Both GPP and RECO were larger over AF than OC/OG. The difference between both is an indicator whether the site is a sink or a source of CO2. The net ecosystem carbon uptake (FC) was greater more than half of the site-years at the AF sites, compared to OC or OG. We did not find a consistent pattern for evapotranspiration, since the difference between AF and OC/OG was small. The uncertainty in the gap-filling methods was evaluated and considered appropriate for the different datasets. Finally, general guidelines about how to compare newer, lower-cost EC setups were provided as a comment paper. The aim was to establish a robust, standard way to validate LC-EC against CON-EC, based on the previous work developed during the thesis. This thesis section was motivated by a previously published paper which compared a newer LC-EC setup to a CON-EC setup. In conclusion, the work presented in this thesis provided (i) a technical validation of LC-EC setups; (ii) an implementation of the LC-EC setups to quantify spatial variability and statistical robustness of EC measurements over one AF site; (iii) a harmonized, gap-filled dataset on EC and meteorological parameters measured over several AF and OC or OG sites, together with the data processing routines; (iv) general guidelines and recommendations for EC instrumental validation. This thesis contributed to the development of LC-EC setups, establishing guidelines on how to perform instrumental validation; provided examples on the LC-EC implementation; established a robust processing routine from the raw, high-frequency data until final gap-filled and partitioned flux density time series; and provided a harmonized dataset expanding seventy eight site-years over several AF and OC/OG sites in northern Germany.
Keywords: Micrometeorology; lower-cost eddy covariance; evapotranspiration; agroforestry

German

Alternative Landnutzungssysteme wie die Agroforstwirtschaft (AF) bieten naturbasierte Lösungen, um die Auswirkungen der Landwirtschaft auf den Klimawandel abzumildern. Trotz ihrer vielfältigen Vorteile für die Umwelt sind diese Systeme bisher nur unzureichend untersucht. Insbesondere sind Messungen des Kohlenstoff-, Wasser- und Energieaustauschs zwischen Agroforstsystemen und der Atmosphäre auf Ökosystemebene selten, und es gibt nur wenige Studien zu diesem Thema. Die Eddy-Kovarianz-Technik (EC) hat sich in den letzten Jahrzehnten als wichtigstes Instrument zur direkten Quantifizierung von Flussdichten des Austauschs von Energie, Impuls und Gasarten wie CO2 über terrestrischen Ökosystemen etabliert. Allerdings sind mit der EC-Technik hohe Kosten für Ausrüstung und Betrieb verbunden, was ihre Anwendung in zahlreichen ökologisch und soziologisch wichtigen Ökosystemen erschwert. Darüber hinaus beeinträchtigt die räumliche Heterogenität vieler Ökosysteme die Zuverlässigkeit der EC-Messungen, da die an einer einzelnen Messstation quantifizierten Flussdichten nur einem bestimmten Fußabdruckbereich und nicht dem gesamten Ökosystem zugeordnet werden können. Kostengünstigere EC-Aufbauten (LC-EC) können eine Lösung sowohl für die mangelnde Repräsentativität herkömmlicher Messungen mit nur einem Messturm an heterogenen Standorten als auch für den Mangel an Messungen in wichtigen Biomen und Ökoregionen bieten. Diese Arbeit war in ein langfristiges Forschungsprojekt mit der Bezeichnung SIGNAL eingebettet. In diesem Projekt wurden AF und offene Acker- (OC) oder Grünlandsysteme (OG) an verschiedenen Standorten verglichen, mit dem Ziel mehrere, mehrere Ökosystemfunktionen zu bewerten, die u. a. mit den Nährstoffkreisläufen im Boden, der Artenvielfalt und dem Ertrag zusammenhängen. Diese Arbeit wurde im Rahmen des atmosphärischen Zweigs von SIGNAL durchgeführt, der sich mit der Quantifizierung der Kohlenstoffbindung, der Evapotranspiration und der Wassernutzungseffizienz von AF-Systemen in insgesamt fünf Untersuchungsregionen befasste, einem Paar AF/OG und vier Paaren AF/OC. Jedes AF, OC oder OG war mit einer EC-Station und zusätzlichen meteorologischen Instrumenten ausgestattet. Konkret zielte diese Arbeit darauf ab, zunächst die Validierung und Charakterisierung von LC-EC-Setups im Vergleich zu herkömmlichen EC (CON-EC) und anschließend die Untersuchung des Energie-, CO2- und H2O-Austauschs zwischen Ökosystem und Atmosphäre über den untersuchten Regionen. Diese Dissertation gliedert sich in vier Kapitel, die im Folgenden aufgeführt sind. Zunächst wurden drei LC-EC-Einrichtungen, die denen ähneln, die an allen EC-Stationen an den Standorten AF und OC/OG installiert waren, mit einer CON-EC-Einrichtung verglichen. Die Validierung erfolgte anhand der CO2-Flussdichten (FC) und der latenten Wärmestromdichten (LE). Die LC-EC-Systeme schnitten im Vergleich zu CON-EC gut ab (Steigungen der linearen Regressionsanalyse von 0,95 bis 1,05 für FC und von 0,78 bis 0,99 für LE, während die r2-Koeffizienten zwischen 0,7 und 0,92 lagen). Die Fehler, die sich aus der LC-EC ergeben, wurden im Detail charakterisiert. Die Hauptunsicherheitsquelle der LC-EC wurde auf den größeren Bedarf an Spektralkorrekturen zurückgeführt. Die Versuchsaufbauten wurden erfolgreich validiert, was als Grundlage für die anderen Abschnitte der Arbeit diente. Zweitens wurde die räumliche Heterogenität von FC, LE, des fühlbaren Wärmestroms (H) und verschiedener Turbulenzparameter an einem der AF-Standorte quantifiziert. Dazu wurde ein verteiltes Netz von drei Stationen eingerichtet, die mit den zuvor validierten LC-EC-Systemen ausgestattet wurden. Es zeigte sich, dass die zeitliche Variabilität aller Parameter größer ist als die räumliche Variabilität. Während einiger Perioden der Vegetationsperiode und nach der Ernte einiger Kulturen dominierte jedoch die räumliche Variabilität, insbesondere für FC. Die Variationskoeffizienten waren für FC am größten (Werte zwischen 0,3 und 0,4), gefolgt von LE (Werte zwischen 0,2 und 0,3), und sie waren am größten für die westlichen Windsektoren aufgrund der höheren Heterogenität, die sich aus der unterschiedlichen Pflanzenverteilung zwischen den Baumstreifen ergibt. Die Hauptaussage dieser Studie war, dass das verteilte Netzwerk von drei LC-EC-Stationen die statistische Darstellung der Flussdichten über dem AF-Standort aufgrund seiner großen räumlichen Heterogenität verbessert. Drittens wurden die in den beiden vorangegangenen Abschnitten der Arbeit entwickelten und implementierten Verarbeitungsroutinen erweitert und auf alle Daten aller fünf AF und OC- oder OG Standorte in Norddeutschland. Die meteorologischen Daten aus der ersten, zweiten und dritten Phase des SIGNAL-Projekts wurden zusammengestellt und Datenlücken mit ERA5-Land-Daten als Referenz aufgefüllt. Flussdichten (FC, LE and H) wurden für die zweite und dritte Phase des SIGNAL-Projekts zusammen mit anderen Turbulenzparametern zusammengestellt und mit einer Kombination aus Randverteilungsproben und Extreme Gradient Boosting aufgefüllt. Schließlich wurde FC in Bruttoprimärproduktion (GPP) und Ökosystem- atmung (RECO) aufgeteilt. Auf diese Weise erhielten wir einen harmonisierten, vollständig lückengefüllten Datensatz von insgesamt zehn Stationen. Zwei von ihnen entsprachen einem Paar aus Grünland AF und OG, während die übrigen acht vier Paare aus Ackerland AF und OC darstellten. Sowohl GPP als auch RECO waren über AF größer als über OC/OG. Der Unterschied zwischen beiden ist ein Indikator dafür, ob der Standort eine CO2-Senke oder eine CO2-Quelle ist. Die Nettokohlenstoffaufnahme des Ökosystems (FC) war an den AF-Standorten in mehr als der Hälfte der Standortjahre größer als an OC oder OG. Für die Evapotranspiration konnte kein einheitliches Muster gefunden werden, da der Unterschied zwischen AF und OC/OG gering war. Die Unsicherheit in den Methoden zum Füllen der Lücken wurde bewertet und für die verschiedenen Datensätze als angemessen erachtet. Schließlich wurden in einem Kommentar allgemeine Leitlinien für den Vergleich neuerer, kostengünstigerer EC-Einrichtungen vorgelegt. Ziel war es, eine robuste, standardisierte Methode zur Validierung von LC-EC im Vergleich zu CON-EC zu entwickeln, die auf der im Rahmen der Dissertation geleisteten Arbeit basiert. Dieser Abschnitt der Arbeit wurde durch eine zuvor veröffentlichte Arbeit motiviert, in der ein neuerer LC-EC-Aufbau mit einem CON-EC-Aufbau verglichen wurde. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die in dieser Arbeit vorgestellten Arbeiten (i) eine technische Validierung von LC-EC-Setups; (ii) eine Implementierung der LC-EC-Setups zur Quantifizierung der räumlichen Variabilität und der statistischen Robustheit von EC-Messungen an einem AF-Standort; (iii) einen harmonisierten, lückengefüllten Datensatz zu EC- und meteorologischen Parametern, die an mehreren AF- und OC- oder OG-Standorten gemessen wurden, zusammen mit den Datenverarbeitungsroutinen; (iv) allgemeine Richtlinien und Empfehlungen für die Validierung von EC-Instrumenten liefern. Diese Arbeit trug zur Entwicklung von LC-EC-Systemen bei, indem sie Richtlinien für die Durchführung der instrumentellen Validierung aufstellte; sie lieferte Beispiele für die LC-EC-Implementierung; sie etablierte eine robuste Verarbeitungsroutine von den rohen, hochfrequenten Daten bis zu den endgültigen lückengefüllten und partitionierten Flussdichte-Zeitreihen; und sie lieferte einen harmonisierten Datensatz, der sich über achtundsechzig Standortjahre an mehreren AF- und OC/OG-Standorten in Norddeutschland erstreckt.
 
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