Természetes gyepfelszín szén-dioxid forgalma bizonytalanság csökkentése
Title in English
Decrease of uncertainty of natural grassland's carbon dioxide exchange
Keywords in Hungarian
CO2 tárolás a növényállományban, NEE évenkénti változékonysága, gyepfelszín sérülékenysége szárazság hatására
Keywords in English
storage of CO2 in canopy air space, interannual variation of NEE, vulnerability of grassland under drought,
Discipline
Plant stress biology (Council of Complex Environmental Sciences)
40 %
Meteorology, atmospheric physics and dynamics (Council of Complex Environmental Sciences)
30 %
Ortelius classification: Meteorology
Environmental biology, ecotoxicology (Council of Complex Environmental Sciences)
30 %
Ortelius classification: Anthropogenic impact on ecosystems
Panel
Complex agricultural sciences
Department or equivalent
Biológiatudományi Intézet (Hungarian University of Agriculture and Life Sciences)
Starting date
2012-09-01
Closing date
2015-08-31
Funding (in million HUF)
19.114
FTE (full time equivalent)
2.40
state
closed project
Summary in Hungarian
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára. Az eddy-kovariancia módszer mára az egyik legelterjedtebb módszer a különböző vegetációk CO2 forgalmának vizsgálatára, evvel együtt számos módszertani kérdés még most is tisztázatlan. Az egyik ilyen, a mérések megbízhatósága gyenge turbulencia esetén. Magas vegetációk esetén bevett gyakorlat a tárolási tag mérése, de alacsonyak esetében még nem tisztázott a szükségessége. Kutatásunkkal egy gyepvegetáció szénmérlegének bizonytalanságát szeretnénk csökkenteni a tárolási tag mérésével és a gap-filling eljárás továbbfejlesztésével. Utóbbi újabb környezeti változók (pl. talajnedvesség-tartalom) bevonását jelenti. A vizsgálatok választ adhatnak az örvény-kovariancia módszerrel, valamint a más (pl. kamrás) módszerrel mért áramok közötti különbségek okaira is.
Mi a kutatás alapkérdése? Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek. A pályázat alapvető célja, hogy csökkentsük vegetációk eddy-kovariancia módszerrel mért szén-dioxid áramainak bizonytalanságát, és így a becsült éves szénmérlegét is. Ezt egyrészt mérési módszertani oldalról szeretnénk megközelíteni (tárolási tag), másrészt pedig eddig is ismert, de általában nem alkalmazott kapcsolatok (pl NEE SWC) adatpótló eljárásba történő bevonásával. Ezt a kapcsolatot explicit módon nem alkalmazták az eddig általánosan használt eljárásokban, pedig a talaj-nedvességtartalom az ökoszisztéma légzés nagy variancia-hányadáért felelős. Így például, az éjszakai áramok pótlása általában csak az ökoszisztéma-légzés hőmérséklet-függésén alapul, ugyanakkor már ismert, hogy a talaj és ökoszisztéma légzés folyamatát a talaj nedvesség tartalma is döntően befolyásolja.
Mi a kutatás jelentősége? Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának! A kutatás célja az eddy-kovariancia technika és az éves szén-mérleg becslésének módszertani fejlesztése. Az ökoszisztéma C-mérleg alkotó folyamatainak jobb leírása nélkülözhetetlen a modellek parametrizálásában és az üvegház-gáz mérleg védhető értékének megadásában. E célokat részben az eddy technikától független mérések alkalmazásával, részben az adatpótló eljárások kiterjesztésével kívánom elérni. Az ökoszisztémák aszállyal szembeni sérülékenységének kulcs-kérdését a nettó ökoszisztéma gázcsere éves változékonyságának elemzésével kívánom vizsgálni.
A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára. A légköri szén-dioxid (CO2) szint folyamatos emelkedése miatt különösen fontos - főleg az esetleges CO2 megkötő potenciáljuk miatt - a különböző növényállományok szén-dioxid mérlegének vizsgálata. Az ennek mérésére jelenleg széles körben alkalmazott ún. örvény-kovarianci módszer által mért áramok azonban jelentős bizonytalansággal bírnak. Jelen pályázatban egyrészt a mérőműszer szintje alatti légrétegben tárolt CO2 mennyiségének mérésével, valamint a hiányzó adatok pótlására szolgáló módszer továbbfejlesztésével teszünk javaslatot a bizonytalanság csökkentésére. A kisebb bizonytalanságú áramok, kisebb bizonytalanságú éves mérleg becsléseket eredményeznek, melyek fontosak lehetnek pl. a jövőbeli légköri CO2 szint előrevetítése szempontjából.
Summary
Summary of the research and its aims for experts Describe the major aims of the research for experts. Eddy covarince (EC) technique is the most widespread tool for investigating different ecosystems’ CO2 exchange, although several methodological issues are not yet cleared up. One of them is the reliability of measurements during low turbulent periods. In the case of tall vegetations it is a common practice to measure the storage of CO2, but its necessity is uncleared in the case of short vegetation. Based on our investigations we are planning to decrease the uncertainty of the grasslands’ carbon budget by re-ivestigating the storage term and improving the gap-filling routine. The latter is planned by including a further abiotic parameter (e.g. soil water content). These studies are intended to clarify the causes of discrepancy between fluxes measured by different (EC, and chamber) techniques.
What is the major research question? Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments. The research objective of this proposal is to decrease uncertainties associated with ecosystem carbon fluxes as measured by the eddy covariance technique and thereby decrease the uncertainty of the measured carbon balances. This is planned to be done first, by investigating possibilities in the measurement methodology (storage) and second by incorporating already known but explicitly not used relationships (eg. between ecosystem respiration and soil water content) into the gap filling procedure. While the reason why they were not incorporated already in most standard procedures is unclear, the necessity and advantages of doing so seems obvious. For example, gap-filling of nighttime fluxes mostly rely on temperature functions, while the better description of soil and ecosystem respiration with SWC as a separate independent variable in the procedure was shown already.
What is the significance of the research? Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field. The objective of the planned research is the methodological improvement of the eddy covariance technique and the procedure of estimating the annual carbon balance. Better description of the component processes is necessary both for model parametrization and to reach a defensible balance of the ecosystems greenhouse gas balance at annual scale. These goals are to be achieved using measurements independent from the eddy covariance technique and by improving the gap filling algorithms. Characterization of vulnerability of ecosystems to droughts is a key question addressed through the investigation of the interannual variability of the measured grassland ecosystems.
Summary and aims of the research for the public Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others. Because of the continuous rising of the atmospheric carbon dioxide (CO2) concentration investigation of the carbon dioxide balance of different types of vegetations is particularly important mainly for their possible CO2 absorbing potential. Fluxes measured by the so called eddy covariance technique, which is used widespread to measure this fluxes, are rather uncertain. Decrease of uncertainty is implied in this proposal by measuring the amount of CO2 stored in the layer below the measuring height and by improving the routine used for filling data gaps. Less uncertain fluxes result in less uncertain estimates of annual balance, which can be important e.g. in terms of atmospheric CO2 concentration projections.
Final report
Results in Hungarian
A bugacpusztai örvény-kovariancia (ÖK) méréseket a szén-dioxid (CO2) tárolási tagjának mérésével egészítettük ki. Kétféle módszerrel számítottuk a tárolási tagot, egyrészt CO2 koncentráció profil mérésekből (a mérőrendszert a PD OTKA pályázat keretében építettük ki) másrészt csak a felső szint koncentráció változásaiból. Utóbbi módszert általában alacsony vegetációk (gyepek, mezőgazdasági területek) esetében alkalmazzák. Szélcsendes időszakokban jelentős mennyiségű CO2 halmozódott fel az ÖK rendszer mérési síkja alatt. A tárolási tag maximális értéke (1,1 mgC m-2 s-1) a kora esti órákban volt tapasztalható (felhalmozódás), míg a minimumát (-1,35 mgC m-2 s-1) a reggeli órákban érte el. A két módszerrel számított tárolási tagok értéke megegyezett az esetek 24%-ában, míg az esetek 65%-ában a profil mérésekből számított tárolási tag jelentősen nagyobb volt. Az éves NEE összeg tekintetben nem volt különbség a két módszer alkalmazásakor. Másrészről viszont, a tárolási tag figyelembe vétele az éves mérleg nyelő jellegének erősödését ( 82 gC m-2 év-1 különbség) okozta. Ezt a szisztematikus eltérést az okozhatta, hogy az érvényes turbulens fluxusok egyenlőtlen időbeli eloszlása miatt a reggeli negatív tárolási tagok gyakrabban voltak figyelembe véve, mint az esti felhalmozódáshoz köthető pozitívak. Emiatt a szelektív szisztematikus hiba miatt a tárolási tag figyelembevétele az éves NEE összeg számításakor nem egyértelmű.
Results in English
Rate of change of storage (RCS) of carbon dioxide (CO2) were measured additional to EC fluxes at a semi-arid grassland at Bugac, Hungary. Two approaches were applied, RCS was calculated from concentration profile measurements (the tower was built in the frame of this project) and from the concentration of the uppermost level. This latter approach is usually applied above short canopies (e. g. grasslands, crops). In low wind conditions considerable amount of CO2 was stored below the level of the EC system. Accordingly, the storage term had significant diurnal variation, with a positive peak (maximum: 1.1 mgC m-2 s-1) representing the accumulation at early night and with a negative one (minimum: -1.35 mgC m-2 s-1representing the depletion in the morning. The two methods gave similar result in 24% of the cases, while RCS calculated from the concentration profile gave larger values in 65% of the cases. Considering annual NEE sums the difference between application of the two methods was negligible. On annual basis, on the other hand, the difference between taking RCS into account and not was considerable ( 82 gC m-2 year-1). This might be a systematic bias caused by the fact that negative RCS values in the morning are more often taken into account than positive RCS at (early) night due to the inequal distribution of valid fluxes. Because of this selective systematic bias implementation of RCS fluxes into annual net ecosystem exchange estimate is not straightforward.
J Balogh, M Papp, K Pintér, Sz Fóti, K Posta, W Eugster, Z Nagy: Autotrophic component of soil respiration is repressed by drought more than the heterotrophic one in a dry grassland, BIOGEOSCI DISCUS 12: 16885-16911, 2015
Koncz P, Balogh J, Papp M, Hidy D, Pintér K, Fóti Sz, Klumpp K, Nagy Z: Higher soil respiration under mowing than under grazing explained by biomass differences, NUTR CYCL AGROECOSYS 103: (2) 201-215, 2015
Fóti Szilvia, Balogh János, Nagy Zoltán, Herbst Michael, Pintér Krisztina, Péli Evelin, Koncz Péter, Bartha Sándor: Soil moisture induced changes on fine-scale spatial pattern of soil respiration in a semi-arid sandy grassland, GEODERMA 213: pp. 245-254, 2014
Hidy D, Barcza Z, Haszpra L, Churkina G, Pintér K, Nagy Z: Development of the Biome-BGC model for simulation of managed herbaceous ecosystems, ECOLOGICAL MODELLING 226: pp. 99-119., 2012
Yi C, Rustic G, Xu X, Wang J, Dookie A, Wei S, Hendrey G, Ricciuto D, Meyers T, Nagy Z, Pinter K: Climate extremes and grassland potential productivity, ENVIRONMENTAL RESEARCH LETTERS 7: Paper 035703, 2012
Balogh János, Fóti Szilvia, Pintér Krisztina, Burri Susanne, Eugster Werner, Papp Marianna, Nagy Zoltán: Soil CO2 efflux and production rates as influenced by evapotranspiration in a dry grassland, PLANT SOIL &: 1-17, 2014
Fóti Szilvia, Balogh János, Nagy Zoltán, Herbst Michael, Pintér Krisztina, Péli Evelin, Koncz Péter, Bartha Sándor: Soil moisture induced changes on fine-scale spatial pattern of soil respiration in a semi-arid sandy grassland, GEODERMA 213: 245-254, 2014
