Abstract
Verschiedene Prognosen lassen eine, verglichen mit den Zeitskalen natürlicher Abläufe,
schnelle, anthropogen verursachte und signifika,nte Klimaänderung erwarten (IPCC 1990).
Die Hauptursache für diese prognostizierte Anderung ist die starke Brhöhung der Kon-
zentration des Treibhausgases CO2 in der Atmosphäre aufgrund von Verbrennung fossiler
Bnergieträger und Landnutzungsänderungen. Für die sich damit möglicherweise in Zukunft
ergebende Konstellation einer schnellen und signiflkanten Klimaveränderung, insbesondere
einer Temperaturerhöhung, und Zunahme der atmosphärischen COz-Konzentration gibt
es in den letzten 20.000 Jahren keine Parallele.
Die terrestrische Biosphäre wird einerseits von Klimavariationen und der atmosphäri-
schen CO2-Konzentration beeinflußt; andererseits speichert sie große Mengen Kohlenstoff,
die partiell unter bestimmten Bedingungen als CO2 freigesetzt werden und einen zrsätzlichen Treibhauseffekt auslösen könnten. Darüberhinaus ist die Landbiosphäre fúr den
Menschen als Lebensgrundlage wichtig.
Daher erscheint es erstrebenswert, Prognosen äber den trinfluß der Klima- und CO2-Konzentrationsänderungen auf die Landbiosphäre, insbesondere die Landvegetation, zu
erstellen. Für solche Vorhersagen sind nur Simulationsmodelle geeignet, da es keine hinreichend bekannten P rãzedenzien gibt.
Solche Modelle müssen möglichst weitgehend auf pflanzen- und ökophysiologischen
Grundlagen einbeziehen, da sie die Reaktionen der Vegetation auf relativ schnelle Veränderungen vorhersagen sollen. Für eine solche Aufgabe sind Modelle, die auf Korrelationen
zwischen heutiger Vegetation und heutigem Klima oder auf Fernerkundungsdaten beruhen,
nicht geeignet"
Ziel dieser Arbeit war die Erstellung eines pflanzen- und ökophysiologische Zusammenhänge berücksichtigenden globalen Modells des Kohlenstoffkreislaufs der natürlichen
Landvegetation. Der Schwerpunkt lag auf der Entwicklung klimabestimmter und die COz-Fertilisierung darstellender Produktions-, Phänologie- und Allokationsschemata.
Als Basis für das Produktionsschema wurde das physiologisch basierte Photosynthese-
modell von Farquhar et al. (1980) verwendet und aufgrund von ökophysiologischen Überlegungen zu einem Modeli für die NPP erweitert. Das Phänologieschema berücksichtigt die
grundlegende Verschiedenheit tropischer und temperierter Biome durch unterschiedliche,
neu entwickelte Regeln für Laubaustrieb und -abwurf. Für das neue Allokationsschema
wurde ein Reservoir für Assimilate eingeführt, das als Kohlenstoffspeicher für Wachstums- und Respirationsvorgänge dient. Dieses Reservoir ist zentraier Bestandteil des Verständnisses von Pfl.anzenfunktionalität (Mooney 1,972) und gestattet eine realistische Simulation
der Wachstums- und Respirationsplozesse.
Zur Modellbildung wurde die globale Vegetation einerseits in Biome -großskalige klimabestimmte Vegetationseinheiten- klassifiziert und zum anderen ein vereinfachtes Pflanzenbild eingeführt. Die ,,Modellpflanze" besteht aus Assimilaten, krautiger und holziger
Biomasse und hat ein fester Wurzel-/Sproßverhältnis.
Die freien Parameter des Photosynthesemodells wurden aufgrund von Beobachtungen
der Quanteneffi.zienz und globaler Biommittel der NPP angepaßt. Dafür wurden globale
Simulationen mit dem vollständigen Modell durchgeführt, und es konnten ausschließlich
gut mit unabhängigen Meßdaten übereinstimmende Werte gewählt werden.
Mit Modellexperimenten wurde untersucht, inwieweit SITVAN einerseits direkte bio-
sphärische Messungen und anderereits Beobachtungen der atmosphärischen CO2-Konzentration als Maße für die Variabilität der biosphärischen Flüsse auf verschiedenen Zeitskalen
reproduzieren kann.
Die simulierten globalen und lokalen Daten der Pflanzenproduktivität und der Biomas-
se liegen im Bereich der aus Felddaten geschätzen Werte für potentielle Vegetation, wobei
jedoch für die lebende Biomasse ein relativ hoher Wert modelliert wird. Die Überschätzung
der Biomasse, insbesondere in den Savannen, ist zum Teil auf eine fehlende Berücksichtigung von Vegetationsbränden im Modell zurückzuführen. Es kann geschlossen werden,
daß der Umsatz des oberirdischen krautigen Kohlenstoffresetvoirs, also eines schnell mit
der Atmosphäre austauschenden Reservoirs, angemessen simuliert wird. Implizit stellt dies
auch eine Bestâtigung des NPP-Modells dar, da mit diesem bestimmt wird, wieviel Blätter
gebildet werden.
Die Simulation des Jahresgangs der atmosphärischen COz-Konzentration führt in den
mittleren und hohen nôrdlichen Breiten zu Jahresgängen, die relativ gut einerseits mit
direkten Beobachtungen und andererseits mit einem auf Satellitenbeobachtungen basierenden Modell (SDBM1, Knorr und Heimann 1995) übereinstimmenden. Daher scheint
die Phänologie der temperierten Ökosysteme angemessen modelliert zu sein. In den Tropen wird der Jahresgang der NEP jedoch stark tiberschätzt. Gründe kônnen eine zu starke
Abfallproduktion oder -dekomposition in der Trockenperiode sein, da im Modell die ge-
samte lebende krautige Biomasse in den Savannen in die Abfallreservoire transferiert wird,
oder eine zu starke Temperatursensitivität der Abbauformulierung.
Das Modell simuliert eine sehr starke CO2-Fertilisierung der Biosphäre in den Biomen mit C3-Photosyntheseweg. In einem transienten Modellexperiment mit vorgegebener
atmosphärischer CO2-Konzentration von 1765 bis 1993 wird 1990 eine globale Kohlenstoffsenke von 8 GtCa-1 simuliert, was in etwa dem vierfachen der aufgrund von Beobachtungen geschätzten biosphärischen Senke entspricht. Werden die landwirtschaftliche
Flächen so beträgt die Nettoaufnahme 1990 immer noch etwa 6 GtCa-1.
Die simulierten Zunahmen von NPP pro Blattfläche und der mittleren jährliche Blattfläche entsprechen Beobachtungen für nicht nährstoffiimitierte Ökosyteme. Der Hauptgrund für die unrealistisch große simulierte CO2-Nettoaufnahme sind daher zu kleine
Umsatzraten insbesondere der holzigen der lebenden Vegetation.
Wird das Modell mit beobachteten Klimaanomalien angetrieben, entspricht die simulierte interannuale Variabilität des glotralen anomalen CO2-Nettoflusses in die Atmosphäre
in der Phase den beobachteten anomalen CO2-Flüssen in die Atmosphäre sehr gut. Die
Amplitude ist jedoch etwa um einen Faktor 2 zt klein, wenn die Analysen der 13C-Daten
von Keeling et al. (1995) zum Vergleich herangezogen werden. Auch wenn verschiedene
Unsicherheiten in den 13C-Daten in Betracht gezogen werden, muß davon ausgegangen
werden, daß die simulierte interannuale Klimasensitivität von SILVAN etwas zu klein ist.
Der größte Anteil der simulierten anomalen CO2-Nettoflüsse entsteht aufgrund der
Temperatursensitivitât der globalen NPP. Der kleinere Beitrag der globalen heterotrophen
Respiration ist dagegen stark von den Niederschlagsvariationen geprägt.
Teilweise wurde ein Vergleich einiger Charakteristika der simulierten atmosphärischen
COz-Konzentration mit anderen Modellen durchgeführt. Die Resultate zeigen, däs SILVAN im allgemeinen mit die besten Ergebnisse liefert (abgesehen von der CO2-Nettoaufnahme
bei beobachteter atmosphärischer CO2-Konzentration), allerdings ohne signifikante Unterschiede.
Die Analysen haben gezeigt, daß das in dieser Arbeit erstellte Modell SITVAN im Rahmen der verschiedenen Unsicherheiten und unter Berücksichtigung der vorgenommen Vereinfachungen wesentliche Beobachtungen des biosphärischen Kohlenstoffkreislaufs gut reproduziert" Insbesondere die hier den Schwerpunkt darstellenden, neu entwickelten und auf pflanzen- und ökophysiologischen Ansätzen beruhenden Teilmodelle für die NPP, Phäno-
logie und Allokation ergeben zufriendenstellende Resultate.
Folgende wesentliche Defizite des Modells wurden identiflziert
o eine zu hohe simulierte Biomasse,
o ein zu starker Jahresgang der NEP in den Tropen,
o eine zu große COz-Nettoaufnahme bei der transienten Simulation mit ansteigender
C O 2-I{onzentration der Atmosphäre,
o eine vermutlich etwas zu kleine Klimasensitivitât des simulierten anomalen COz*
Nettoflusses auf interannualer Zeitskala.
Diese konnten auf drei Hauptprobleme zurückgeführt werden:
o Im Modell werden keine Vegetationsbrände berücksichtigt, was zu einer zu hohen
mittleren Biomasse, zu einer größeren CO2-Nettospeicherung in lebender Biomasse
und zu kleinerer interannualer Variabilität des simulierten anomalen COz-Nettoflusses
führt.
o Die Dynamik der feinen Wurzeln wird wahrscheinlich nicht angemessen dargestellt.
Verschiedene experimentelle Ergebnisse deuten darauf hin, daß ein fester Quotient
von ober- zu unterirdischer Biomasse, wie er im Modell verwendet wird, nicht der
Realität angemessen ist. Wird angenommen, daß ein fester Anteil der NPP in die
feinen Wurzeln alloziiert wird, so erhöhte sich der simulierte Kohlenstoffumsatz.
o Die Formulierung der heterotrophen Respiration nach Esser (1991) ist möglicherweise für Simulationen mit deutlich kürzerem Zeitschritt als ein Jahr oder interannualen Klimavariationen ungeeignet. Die Formuliemng wurde ursprünglich durch
eine Regression zwischen beobachteten jährlichen Abbauraten krautigen und holzigen Abfalls und Jahresmitteltemperatur sowie Jahresniederschlag erstellt (Esser et
al. 1982). Es ist nicht geklärt, inwieweit die Relationen einfach auf kürzere Zeiträume
skaliert werden können.
Nach den Ergebnissen des Modells SILVAN in der vorliegenden Arbeit bieten pflanzen-
und ökophysiologische Simulationsansätze für die wichtigsten biochemischen Prozesse in
der Vegetation eine geeignete Basis für eine glaubwürdige Modellierung des biosphärischen
Kohlenstoffkreislaufs, insbesondere seiner Variabilität. Es erscheint möglich, die Effekte der
biochemischen Prozesse auf ihren natürlichen Skalen auf größere Zeit und Raumskalen zu
integrieren und dabei ein mit Beobachtungen konsistentes Bild der Kohlenstofdynamik
der regionalen bis globalen Vegetation zu erhalten.
