Unter der Überschrift Erdsystemforschung beschäftigt sich die Wissenschaft mit dem globalen Wandel und der Klimaveränderung. Das Erdsystem besteht aus den Teilsystemen Biosphäre, Atmosphäre und Ozean. Diese sind in sich und untereinander hochgradig rückgekoppelte durch Kreisläufe von Energie und Materie. Die wichtigsten Stoffkreisläufe sind diejenigen von Kohlenstoff, Stickstoff und Wasser. Eine moderne Methode zur Beantwortung von Fragestellungen nach der zukünftigen Veränderung des Erdsystems ist die mathematische Modellierung. Bezüglich des globalen C-Kreislaufs ist nach aktuellem Stand der Forschung eine dynamische Koppelung an den globalen N-Kreislauf notwendig. Um realistische Reaktionen eines Modells auf zukünftige Umweltbedingungen zu erzielen, sollten die zu beschreibenden Systeme möglichst prozessorientiert modelliert werden.
Um die empirische Modellierung der Nettoprimärproduktivität (NPP) in globalen Modellen des gekoppelten C-N-Kreislaufs durch einen prozessorientierten stickstoffabhängigen Ansatz zu ersetzen, wurde das Modell CABIN (CArbon Balance Influenced by Nitrogen) entwickelt. In CABIN wird die NPP aus den unabhängig voneinander beschriebenen Prozessen der Photosynthese und autotrophen Respiration bilanziert. Dazu wurden neuartige Modelle der pflanzlichen Respiration, der Kohlenstoffspeicherung und der Bildung von struktureller Phytomasse (Allokation) entwickelt. In CABIN füllt die Photosynthese einen Pool von Assimilaten, aus dem die Prozesse Respiration, Allokation und Speicherung Kohlenstoff entnehmen. Als Reserve gespeicherter Kohlenstoff kann wieder remobilisiert werden.
CABIN wurden für diese Arbeit noch nicht dynamisch an ein globales C-N-Kreislaufmodell gekoppelt. Phytomassen und N-Gehalte der Vegetation wurden vorgeschrieben. Um CABIN zu prüfen, wurde die modellierte NPP mit Messdaten verglichen. Dies wurde für 25 Messorte in den Vegetationstypen Tundra, borealer Wald, temperierter Wald, Steppe, mediterrane Vegetation, Savanne, Trockenwald, tropischer Regenwald und Wüste durchgeführt. CABIN wurde für alle Vegetationstypen einheitlich parametrisiert und mit durchschnittlichen Wetterdaten angetrieben.
In der Grundparametrisierung kann CABIN für die Hälfte der Messorte die gemessene NPP gut reproduzieren. Positive Abweichungen treten für borealen Wald und Steppe auf. Für den tropischen Regenwald und die mediterrane Vegetation kann keine positive C-Bilanz erzielt werden. Die auftretenden Abweichungen der modellierten von der gemessenen NPP sind für Messorte mit hoher mittlerer Jahrestemperatur negativ. Bei mittleren Jahrestemperaturen zwischen 13°C und 22°C streuen sie um null; darunter treten positive Abweichungen auf. Mit zunehmenden Füllständen der Kohlenhydratpools werden die Abweichungen positiver.
Werden die Werte zentraler Parameter von CABIN innerhalb plausibler Wertebereiche variiert, so zeigt sich, dass für die meisten Messorte die gemessene NPP reproduziert werden kann. In Vegetationstypen mit hohen mittleren Jahrestemperaturen bleibt jedoch die gemessene NPP bei den meisten Parametrisierungen unterschätzt. Der umgekehrte Fall tritt bei geringen mittleren Jahrestemperaturen auf.
Der Einfluss einzelner Parameter auf die modellierte NPP wurde anhand der sich bei der Variierung der Parameterwerte ergebenden Spannen der modellierten NPP quantifiziert. Ein besonders starker Einfluss zeigte sich beim respiratorischen Grundumsatz. Außerdem erwiesen sich die Stickstoffabhängigkeit von Photosynthese und Respiration sowie die Menge lebenden Gewebes im Holz und die Referenztemperatur als einflussreich. Nur einen geringen Einfluss hat die Temperaturabhängigkeit von Photosynthese und Respiration und die Verringerung der Photosynthese bei gefüllten Kohlenhydratspeichern.
Die global einheitliche Parametrisierung für alle Vegetationstypen ist bei der aktuellen Struktur von CABIN nicht geeignet, um überall eine realistische NPP zu modellieren. Eine Anpassung der Detailtiefe der Prozessbeschreibungen und/oder eine vegetationstypspezifische Parametrisierung könnte notwendig sein, um die Ungleichgewichte von Photosynthese und Respiration zu eliminieren.
Es muss in der Natur Prozesse oder Regulationsmechanismen geben, die es den Pflanzen speziell bei hohen mittleren Jahrestemperaturen ermöglichen, positive Kohlenstoffbilanzen zu erzielen. Die Ergebnisse lassen den respiratorischen Grundumsatz als wahrscheinlichsten Angriffspunkt solcher Anpassungen erscheinen.
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