Zur Kurzanzeige

Micrometeorological measurements and numerical simulations of turbulence and evapotranspiration over agroforestry

dc.contributor.advisorSiebicke, Lukas Dr.
dc.contributor.authorMarkwitz, Christian
dc.date.accessioned2021-03-11T15:41:24Z
dc.date.available2021-03-18T23:50:03Z
dc.date.issued2021-03-11
dc.identifier.urihttp://hdl.handle.net/21.11130/00-1735-0000-0005-159F-1
dc.identifier.urihttp://dx.doi.org/10.53846/goediss-8477
dc.identifier.urihttp://dx.doi.org/10.53846/goediss-8477
dc.language.isoengde
dc.rights.urihttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/
dc.subject.ddc630de
dc.titleMicrometeorological measurements and numerical simulations of turbulence and evapotranspiration over agroforestryde
dc.typecumulativeThesisde
dc.contributor.refereeKnohl, Alexander Prof. Dr.
dc.date.examination2021-02-25
dc.description.abstractgerDer moderne Ackerbau steht vor großen Herausforderungen. Das zunehmende Auftreten von Hitzewellen und lang anhaltenden Dürreperioden führt zu einem übermäßigen Verlust von Bodenwasser, zu einem erhöhten Risiko für Wind- und Wassererosion der Böden und damit zu Ertragseinbußen. Heutige landwirtschaftliche Praktiken müssen daher überdacht werden. Die Agroforstwirtschaft (AF), welche eine Kombination aus mehrjährigen Bäumen und Grasland oder einjährigen Ackerkulturen ist, erhöht nachweislich die Bodenfruchtbarkeit und die Bindung von Kohlendioxid in der Biomasse und im Boden, verringert die Nährstoffauswaschung ins Grundwasser und beeinflusst das Mikroklima. Neuere Studien zeigten eine Verringerung der Verdunstung und Transpiration (Evapotranspiration, ET) zwischen den Baumstreifen eines Agroforstsystems, während Studien zum Wasserverbrauch von Agroforstsystemen im Ökosystemmaßstab selten sind. Es wurden Bedenken über erhöhte Wasserverluste durch Evapotranspiration über Agroforstsystemen geäußert, die auf die tiefere Wurzeltiefe der Bäume und die größere Blattfläche zurückzuführen seien. Ziel dieser Arbeit war es daher, (1) zu verstehen, ob und wie Agroforstsysteme Evapotranspiration im Ökosystemmaßstab im Vergleich zu Monokultursystemen (MC) ohne Bäume beeinflussen, und (2) wie die Anordnung der Baumstreifen in einem Agroforstsystem die Windgeschwindigkeit und die Evapotranspiration beeinflusst. Zum Erreichen der Ziele wurden Messungen und Modellsimulationen durchgeführt. Evapotranspiration sowie weitere meteorologische Parameter wurden über fünf Agroforst- und fünf Monokultursystemen ohne Bäume in Norddeutschland in den Jahren 2016 und 2017 gemessen. Evapotranspiration wurde mittels einem neu entwickelten kostengünstigen Eddy Kovarianz Aufbau (EC-LC) und einem Eddy Kovarianz Energiebilanzaufbau (ECEB) kontinuierlich gemessen. Zusätzlich wurde ein herkömmlicher Eddy Kovarianz Aufbau zur Validierung der beiden alternativen Messaufbauten für eine Dauer von maximal vier Wochen installiert. Neben Messungen wurden Large Eddy Simulationen des räumlich variierenden Windgeschwindigkeitsfeldes über einem Agroforstsystem durchgeführt. Aus der simulierten Windgeschwindigkeit und den meteorologischen Messungen wurde eine räumlich variierende Evapotranspiration abgeleitet. Die Ergebnisse der durchgeführten Analysen in der ersten sowie zweiten Studie zeigten eine hohe Übereinstimmung zwischen halbstündiger Evapotranspiration vom kostengünstigen EC Aufbau und dem herkömmlichen EC Aufbau. Die Steigung einer linearen Regressionsanalyse zwischen ETEC-LC und ETEC lagen zwischen 0.86 und 1.3, mit einem Bestimmtheitsmaß, R2, zwischen 0.7 und 0.94. Im Gegensatz dazu war ETECEB durchgehend höher als ETEC, da die Nichtschließung der Energiebilanz nicht berücksichtigt wurde. Zusammenfassend zeigte sich, dass kostengünstige EC Aufbauten eine Alternative zu konventionellen EC Aufbauten sein können, wenn die räumliche Variabilität der Flüsse des jeweiligen Ökosystems größer ist als die Unterschiede zwischen den Flüssen verschiedener Methoden. In der zweiten Studie wurden Jahressummen der Evapotranspiration von den beiden Messaufbauten für die Agroforst- und Monokultursysteme für eine Dauer von zwei Jahren ausgewertet. Die Analysen resultierten in geringen Unterschieden zwischen den Jahressummen der Evapotranspiration über den Agroforst- und Monokultursystemen. Unterschiede in den Evapotranspirationsindizes (∑ Evapotranspiration/ ∑ Niederschlag) zwischen den beiden Landnutzungen (AF vs. MC) waren geringer als die Unterschiede zwischen den beiden Methoden (ECEB vs. EC-LC) und geringer als die Unterschiede zwischen zwei Jahren mit unterschiedlichem Niederschlag (2016 mit geringem Niederschlag und 2017 mit hohem Niederschlag). Die geringen Unterschiede in den Jahressummen der Evapotranspiration zwischen den beiden Landnutzungen können einerseits als Effekt des geringen Anteils der von Bäumen bedeckten Fläche interpretiert werden oder als Kompensationseffekt der niedrigeren Evapotranspiration an den Baumstreifen und der höheren Evapotranspiration zwischen den Baumstreifen. Diese Analyse zeigte, dass die in dieser Studie untersuchten Agroforstsysteme nicht zu erhöhten Wasserverlusten geführt haben. In der dritten Studie dieser Arbeit wurden Modellsimulationen des Windfeldes über einem exemplarischen Agroforstsystem hinsichtlich der stärksten Windgeschwindigkeitsreduktion ausgewertet. Die Untersuchungen ergaben die stärkste Reduktion der Windgeschwindigkeit für (i) entgegengesetzt zur Hauptwindrichtung orientierte Baumstreifen, (ii) kürzere Abstände zwischen den Baumstreifen von 50 m und (iii) Baumhöhen von 5 m. Die Reduktion der Windgeschwindigkeit für die verschiedenen Agroforstanordnungen führte zu einer Reduktion der Evapotranspiration im Ökosystemmaßstab, verglichen mit einem Monokultursystem ohne Bäume. Aus den Modellsimulationen kann demzufolge geschlossen werden, dass die Windreduktion im Agroforstsystem zu einer reduzierten Evapotranspiration führt. Für eine tiefgreifende Analyse der simulierten Evapotranspiration über Agroforstsystemen sollten jedoch andere räumlich variable Parameter wie die einfallende solare Strahlung, die Bodenfeuchte, die Lufttemperatur und die Luftfeuchtigkeit in den Modellsimulationen berücksichtigt werden. Zusammenfassend zeigte sich, dass die Agroforstsysteme aus dieser Studie zu keiner erhöhten Evapotranspiration geführt haben verglichen mit Monokultursystemen ohne Bäume. Dies deutet darauf hin, dass Agroforstsysteme in Deutschland eine Landnutzungsalternative zu Monokultursystemen sein können. Dennoch sollten in Zukunft die Auswirkungen von Agroforstsystemen auf die Evapotranspiration für die individuellen Standorte analysiert werden.de
dc.description.abstractengModern arable agriculture faces major challenges. The increasing occurrence of heat waves and long-lasting droughts leads to excessive loss of soil water, to increased risk for wind and water erosion of soils, and subsequent yield losses. Agricultural practices therefore have to be rethought. Agroforestry (AF), a combination of perennial trees and grassland or annual rotating crops, have been shown to increase the soil fertility and the sequestration of carbon dioxide in standing biomass and soil, reduce nutrient leaching into the ground water, and most important, alter the microclimate. Recent studies found a reduction in evaporation and transpiration (evapotranspiration, ET) in between tree strips, whereas studies on ecosystem scale water-use over agroforestry are scarce. Concerns have been raised about increased water losses to the atmosphere via evapotranspiration over agroforestry, due to the deeper rooting depth of trees and increased leaf area. Therefore, the aims of this thesis were to understand (1) whether and how agroforestry systems affect evapotranspiration on a ecosystem scale compared to monoculture (MC) systems without trees, and (2) how the agroforestry design affect wind velocity and evapotranspiration. In order to achieve the goals, both measurements and model simulations were carried out. Measurements of evapotranspiration and meteorological parameter were performed over five agroforestry and five monoculture systems without trees across northern Germany in 2016 and 2017. Evapotranspiration was continuously measured with a newly developed low-cost eddy covariance setup (EC-LC) and a eddy covariance energy balance setup (ECEB). For the purpose of method validation one conventional eddy covariance setup for measuring campaigns of maximum four weeks duration was installed at all sites. Measurements were accompanied by large eddy simulations of the spatially varying wind velocity field over a model agroforestry system. From simulated wind velocity and meteorological measurements at the tower we derived a spatially varying evapotranspiration. The analyses from the first and second study of this thesis showed high agreement between evapotranspiration rates from the low-cost EC setup and the conventional EC setup. Slopes of a linear regression analysis between ETEC-LC and ETEC, were between 0.86 and 1.3 (coefficient of determination, R2, between 0.7 and 0.94). In contrast, ETECEB was consistently higher than ETEC, due to not accounting for the non-closure of the energy balance. In conclusion, these analyses indicated that low-cost EC setups can be an alternative to conventional EC setups, when the spatial variability of fluxes of the ecosystem of interest is larger than differences between fluxes from different methods. In the second study, we analysed annual sums of evapotranspiration from the two methods over agroforestry and monoculture agriculture during two years. The analyses showed only small differences between annual sums of evapotranspiration over agroforestry and monoculture across sites and methods. Differences in evapotranspiration indices (∑ evapotranspiration/ ∑ precipitation) between the two land-uses (AF vs. MC) were smaller than differences between the two methods (ECEB vs. EC-LC) and even smaller than differences between the two years of contrasting precipitation regimes (2016 with low precipitation and 2017 with high precipitation). The small differences between evapotranspiration from the two land-uses can be interpreted as either an effect of the small fraction of the area covered by trees, or as the compensation of lower evapotranspiration next to the tree strips and higher evapotranspiration in the centre between tree strips. In conclusion, this study showed that agroforestry has not resulted in increased water losses to the atmosphere via evapotranspiration. In the third study of this thesis model simulations of turbulence over one model agroforestry system were analysed. The analyses indicated the strongest wind velocity reduction for (i) tree strips orientated perpendicular to the main wind direction, (ii) shorter distances between the tree strips of about 50 m, and (iii) tree heights of around 5 m. The wind velocity reduction for the different agroforestry configurations led to a reduction in evapotranspiration on a ecosystem scale compared to a monoculture system without trees. From model simulations we showed that the reduction in wind velocity over agroforestry led to reduced evapotranspiration compared to monoculture agriculture without trees. But, for profound analyses of simulated evapotranspiration over agroforestry other spatially varying parameter such as incident radiation, soil moisture, air temperature and humidity should be considered in the model simulations. The main conclusion of this thesis is that the agroforestry systems from this study have not resulted in higher evapotranspiration compared to monoculture systems without trees. This indicates that agroforestry in Germany can be a land-use alternative to monoculture agriculture. However, we suggest that further research should focus on effects of agroforestry on ecosystem scale evapotranspiration on the individual site level.de
dc.contributor.coRefereePriesack, Eckart Prof. Dr.
dc.subject.gerAgroforstwirtschaftde
dc.subject.gerEvapotranspirationde
dc.subject.gerTurbulenzde
dc.subject.gerEddy Kovarianz Technikde
dc.subject.gerKostengünstige Eddy Kovarianz Technikde
dc.subject.gerLarge Eddy Simulationende
dc.subject.engAgroforestryde
dc.subject.engEvapotranspirationde
dc.subject.engTurbulencede
dc.subject.engEddy covariance techniquede
dc.subject.engLow-cost eddy covariance techniquede
dc.subject.engLarge eddy simulationde
dc.identifier.urnurn:nbn:de:gbv:7-21.11130/00-1735-0000-0005-159F-1-3
dc.affiliation.instituteFakultät für Forstwissenschaften und Waldökologiede
dc.subject.gokfullForstwirtschaft (PPN621305413)de
dc.description.embargoed2021-03-18
dc.identifier.ppn175116649X


Dateien

Thumbnail

Das Dokument erscheint in:

Zur Kurzanzeige