title: Modelling the impact of air pollution on the terrestrial carbon and nitrogen cycling
Creators: name: Franz, Martina
Publisher: name: Karlsruhe
Year: 2020
Subjects: air pollution
ozone
biomass damage
carbon uptake
carbon storage

description: Ozon (${O_3}$) ist ein Luftschadstoff, welcher die Blätter von Pflanzen schädigen und deren Bruttoprimärproduktion (GPP) senken kann. In verschmutzten Regionen haben sich die Ozonkonzentrationen in der Troposphäre seit der Vorindustriellenzeit bis zum Ende des 20. Jahrhunderts vervielfacht, begleitet von einem Anstieg in Vorläuferstoffen wie Stickoxide. Reaktive Stickstoffverbindungen, wie zum Beispiel Stickoxide (${NO_x}$), sind ein begrenzter Pflanzennährstoff. Es wird angenommen, dass deren Verfügbarkeit die GPP in weiten Teilen der Welt begrenzt. Ein Teil des in die Atmosphäre eingebrachten ${NO_x}$ wird zurück auf das Land abgeschieden, wo es das Pflanzenwachstum stimulieren kann. Obwohl ${NO_x}$ Vorläuferstoffe für ${O_3}$ darstellen, haben sich bisherige Studien auf den wachstumsstimulierenden Effekt von Stickstoffabscheidung konzentriert ohne gleichzeitig den schädlichen Einfluss von ${O_3}$ zu beachten. Zur Schätzung der Kapazität der terrestrischen Biosphäre als Kohlenstoffsenke, könnte eine realistische Abschätzung der Einflüsse von Ozon auf die GPP eine wichtige Rolle spielen. Die gemeinsame Implementierung der wachstumsstimulierenden Effekte der Abscheidung von reaktiven Stickstoffverbindungen und der schädlichen Effekte von Ozon auf Pflanzenwachstum und Kohlenstoffspeicherung könnte eine realistischere Abschätzung vergangener und zukünftiger terrestrischer Kohlenstoffspeicherung ermöglichen. Um den Einfluss von Ozon auf den terrestrischen Kohlenstoffkreislauf besser zu verstehen, wurde ein Ozonabscheidungsschema in das Biosphärenmodell O-CN eingebaut, welches Ozonaufnahme und -pflanzenschaden schätzt. Ein Vergleich mit veröffentlichten Werten zeigt, dass dieses neue Modul realistische Werte für Schlüsselwerte der Ozonabscheidung produziert. Die Verwendung eines detaillierten Schemas welches bei der Berechnung der bodennahen Ozonkonzentration die Abscheidung von Ozon in die Spaltöffnungen der Blätter und außerhalb dieser berücksichtigt, hat einen substantiellen Einfluss auf die pflanzliche Ozonaufnahme in O-CN. Die Anwendung des aktualisierten Modells im Rahmen einer europaweiten Simulation von gegenwärtigen Ozonschäden auf GPP und Transpiration deutet an, dass der regionale Kohlenstoff- und Wasserkreislauf geringer beeinflusst wird als auf Grund von bereits publizierten Studien zu erwarten wäre. Verschiedene Modelle und Modellversionen unterscheiden sich jedoch erheblich in ihren Abschätzungen des durch Ozon verursachten Schadens von GPP. Ein möglicher Grund dafür ist die Verwendung verschiedener Schadensfunktionen, welche die Ozonaufnahme in Relation setzten zu Pflanzenschaden. Die Auswirkung verschiedener Schadensfunktionen auf die Schwankung der geschätzten Ozoneffekte wird untersucht in dem vier bereits veröffentlichte Schadensfunktionen in ein standardisiertes Modelliergerüst eingebaut werden, das O-CN Modell. Verschiedene Modellversionen werden untersucht hinsichtlich ihrer Fähigkeit die beobachteten Gesamtbiomassereaktionen in 23 Ozon-Filtrierungs-Begasungsexperimenten mit jungen Bäumen europäischer Baumarten an zehn Orten quer durch Europa zu simulieren. Die Ergebnisse zeigen, dass keine vorab veröffentlichte Schadensfunktion zu einer Gesamtbiomassereaktionen führt, welche vereinbar ist mit den beobachteten Zusammenhängen in den Experimenten. Anstatt dessen wird eine erhebliche Überschätzung oder Unterschätzung der Ozoneffekte simuliert. Durch eine Reparameterisierung dieser Schadensfunktionen habe ich lineare, pflanzentypspezifische Schadenszusammenhänge entwickelt, welche eine akkurate Simulation der beobachteten Gesamtbiomassereaktionen in den 23 Experimenten ermöglicht. Das aktualisierte Modell, welches das Ozonabscheidungsschema und zwei reparameterisierte Schadensfunktionen enthält, wurde genutzt um vergangene und zukünftige Einflüsse von Luftverschmutzung, durch Ozon und Stickstoffabscheidung, auf die terrestrische Kohlenstoffaufnahme und -speicherung in temperaten und borealen Regionen der Nordhalbkugel zu simulieren. In einem faktoriellem Versuchsplan werden zwei zukünftige Szenarien der Luftverschmutzung simuliert um den Einfluss gegenwärtigen und zukünftigen Änderungen in Stickstoffabscheidung und ${O_3}$ Konzentrationen zu untersuchen bei einem gleichzeitigem Wandel des Klimas und der Kohlendioxid (${CO_2}$) Konzentrationen. Diese Simulationen werden jeweils für das optimistischste und pessimistischste Repräsentative Konzentrationspfad-Szenario (RCP2.6 und RCP8.8) durchgeführt. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass in der Vergangenheit Ozonschäden die mittlere regionale Kohlenstoffaufnahme (GPP) und -speicherung (Gesamtkohlenstoffbiomasse) in der simulierten Region deutlich reduziert haben. Die maximale Reduktion tritt um das Ende des 20. Jahrhunderts herum auf und beträgt ungefähr 4% für GPP und 9% für Gesamtkohlenstoffbiomasse. Die durch den ${CO_2}$ Düngeeffekt reduzierte Spaltöffnungsbewegung von Pflanzen begrenzt die Aufnhame von Ozonspitzenwerten und verursacht eine Reduktion von Ozonschäden während des 21. Jahrhunderts. Für beide Verschmutzungszenarien werden am Ende des 21. Jahrhunderts im regionalen Mittel Reduktionen von 0-1% für GPP 4-5% für Gesamtbiomasse simuliert im Vergleich zu vorindustriellen Werten. In Schadensbrennpunkten werden am Ende des 21. Jahrhunderts Reduktionen von mehr als 8% für GPP (Ostasien) und bis zu 15% für Gesamtkohlenstoffbiomasse (in Teilen von Europa, dem Osten und Westen der USA und Ostasien) simuliert. Ein Vergleich der Auswirkung von Luftverschmutzung durch Ozon zu dem von Stickstoffabscheidung zeigte, dass Ozonschäden den wachstumsstimulierenden Effekt von Stickstoffabscheidung während eines Großteils des simulierten Zeitraums ausgleicht. Die schädliche Wirkung von Ozon wiegt den stimulierenden Einfluss von Stickstoffabscheidung auf GPP bis zur ersten Hälfte des 21. Jahrhunderts auf. Danach beginnt die stimulierende Wirkung von Stickstoffabscheidung auf GPP zu dominieren. Die schädliche Wirkung von Ozon auf die Gesamtkohlenstoffbiomasse überwiegt dem stimulierenden Effekt von Stickstoffabscheidung währende des gesamten Simulationszeitraums. Zusammenfassend ist zu sagen, dass die Implementierung eines relativ detaillierten Ozonabscheidungsschemas die Schätzung der Ozonaufnahme in O-CN deutlich beeinflusst und somit potentiell auch Schadensschätzungen. Die Verwendung von evaluierten Schadensfunktionen in Modellen kann helfen eine erhebliche Über- oder Unterschätzungen des Schadens zu verhindern. Die Anwendung des aktualisierten Modells zeigt, dass Ozonschäden den Anstieg von Kohlenstoffaufnahme und -speicherung in der Vergangenheit deutlich reduziert haben. Hier präsentierte Schätzungen von gegenwärtigen und zukünftigen Ozonschäden sind geringer als auf Grund vorheriger Studien zu erwarten wäre. Der Einbezug des stimulierenden Effekts von Stickstoffabscheidung in die Schätzung von Kohlenstoffaufnahme und -speicherung ohne die schädlichen Einflüsse von Ozon zu beachten kann zu einer Überschätzung dieser führen.