Validierung des phytotoxischen Ozonflusses in Nadeln und Blättern als Voraussetzung einer realitätsnahen, integrierten Risikobewertung für die Ökosystemleistungen von Wäldern in Deutschland
Creators: name: Baumgarten, Manuela
name: Jákli, Bálint Georg
name: Grünhage, Ludger
Publisher: name: Umweltbundesamt
Year: 2023
Subjects: subject: Troposphärisches Ozon
subject: Troposphäre
subject: Stomata
subject: Bodennahes Ozon
subject: troposphärisch
subject: Spaltöffnung
subject: Bäume
subject: Luft

description: Bodennahes Ozon ist ein phytotoxischer Luftschadstoff dessen troposphärische Hintergrundkonzentration sich im Zuge der Industrialisierung vervielfacht hat und in Zukunft wahrscheinlich weiter ansteigen wird. Ozon wird von Pflanzen über die Stomata aufgenommen, wo es oxidative Stress auslöst und letztendlich die Nettoprimärproduktion verringert. Das schwächt die CO2-Senkenstärke von Forstökosystemen und beeinträchtigt die Wirtschaftlichkeit wichtiger europäischer Baumarten wie Buche und Fichte. Über die im Mapping Manual (CLRTAP 2017) zusammengefassten und vom Umweltbundesamt verwendeten Modelle (DO3SE, FO3REST) lassen sich ozonbedingte jährliche Produktivitätseinbußen über artspezifische Dosis Wirkungs-Funktionen berechnen. Voraussetzung dafür ist eine möglichst realistische Abschätzung der Ozonaufnahme als Funktion der stomatären Leitfähigkeit (als PODY, phytotoxische Ozondosis oberhalb eines Schwellenwerts von Y nmol m-2 s -1). Aufgrund bisher fehlender technischer Möglichkeiten wurden die verwendeten Modelle nicht auf Basis von Messungen der stomatären Ozonaufnahme validiert. Außerdem fehlt für Waldbaumarten, im Gegensatz zu wichtigen Kulturpflanzen, eine Wichtungsfunktion, welche die Interaktion zwischen der kumulierten Ozonaufnahme und der Stomataregulierung abbildet. Zusätzlich existiert bisher keine Möglichkeit, das Ozonrisiko für zukünftige, durch steigende Temperaturen und erhöhte atmosphärische CO2-Konzentrationen gekennzeichnete Szenarien zu bewerten. Im vorliegenden Projekt wurden daher sowohl eine Ozon- als auch eine CO2-Wichtungsfunktion (fO3, fCO2) entwickelt und für Buche und Fichte parametrisiert. Dazu wurden aus Naturverjüngung entnommene Buchen und Fichten über drei Vegetationsperioden in den Klimakammern der TUMmesa-Phytotronanlage kultiviert und verschiedenen dynamischen, auf einen Waldstandort im Spessart regionalisierten Klimaszenarien ausgesetzt. Die Szenarien beinhalteten einen Ozongradienten unter gegenwärtigen Klimabedingungen, sowie zwei Zukunftsszenarien für das Ende des 21. Jahrhunderts mit unterschiedlich stark erhöhter Jahresmitteltemperatur und CO2-Konzentration. Die fO3-Funktion verdeutlichte im Modellansatz, dass bei Buche unter gegenwärtigen klimatischen Bedingungen bereits im Laufe des Blattaustriebs eine ozondosisbedingte Beeinträchtigung der stomatären Leitfähigkeit auftreten kann. Im Gegensatz dazu wurde die stomatäre Leitfähigkeit von Fichte nicht durch die Ozondosis beeinträchtigt. Durch Implementierung der fCO2-Funktion konnte gezeigt werden, dass unter steigendem CO2 in den Zukunftsszenarien eine Verringerung der stomatären Leitfähigkeit (insbesondere bei Buche) bei gleichzeitig aufrechterhaltener Produktivität zu erwarten ist. Dadurch werden die stomatäre Ozonaufnahme und somit die zu erwartenden Produktivitätseinbußen gegenüber der Gegenwart - abhängig von Unsicherheiten bei der zukünftigen Entwicklung der troposphärischen Ozonkonzentration - signifikant verringert sein. Über die Neuentwicklung eines Sensors (TransP) zur indirekten, kontinuierlichen in-situ Bestimmung der stomatären Ozonaufnahme konnten die Mapping Manual Modelle für Buche und Fichte validiert und deren Parametrisierung aktualisiert werden. Abschließend wurde ein Satz Transferfunktionen entwickelt, welche ein Abschätzen des PODY auf Grundlage von Xylemsaftflussmessungen an Buchen ermöglicht. Quelle: Forschungsbericht
description: Ground-level ozone is a phytotoxic air pollutant whose tropospheric background concentration has multiplied with industrialization and is likely to increase further in the future. Ozone is taken up by plants through the stomata, where it induces oxidative stress and reduces net primary production. This weakens the CO2 sink strength of forest ecosystems and affects the economic viability of important European tree species such as beech and spruce. Using the models summarized in the Mapping Manual (CLRTAP 2017) and employed by the German Federal Environment Agency (DO3SE, FO3REST), ozone-induced annual productivity losses can be calculated via species-specific dose-response-functions. This requires a robust estimate of ozone uptake as a function of stomatal conductance (as PODY, phytotoxic ozone dose above a threshold of Y nmol m-2 s -1). So far, the Mapping Manual models have not been validated based on measurements of stomatal ozone uptake because technical capabilities for continuous measurement of stomatal conductance are missing. Furthermore, in contrast to crops, a weighting function representing the interaction between cumulative ozone uptake and stomatal regulation is missing for forest species. Additionally, the ozone risk in future scenarios - characterized by rising temperatures and increased atmospheric CO2 concentrations - cannot be assessed because a CO2 sensitivity function has not been implemented so far. Therefore, in the present project, both ozone and CO2 weighting functions (fO3, fCO2) were developed and parameterized for beech and spruce. For this purpose, beech and spruce sampled from natural regeneration were cultivated over three vegetation periods in the climate chambers of the TUMmesa phytotron facility and exposed to different dynamic climate scenarios regionalized to a forest site in the German Spessart region. The scenarios included an ozone gradient under current climate conditions, as well as two future scenarios for the end of the 21st century with varying degrees of increased annual mean temperature and CO2 concentration. Introducing the fO3 function into the models showed ozone dose-induced impairment of stomatal conductance can already occur during leaf emergence in beech under current climatic conditions. In contrast, stomatal conductance of spruce was not affected by the accumulated ozone dose. By implementing the fCO2 function, it was shown that stomatal conductance (especially in beech) decreases under elevated CO2 in future scenarios while productivity is maintained. As a result, stomatal ozone uptake and thus expected productivity losses may be significantly reduced compared to the present, depending on uncertainties in the future development of tropospheric ozone concentration. The mapping manual models for beech and spruce were validated and their parameterization updated by employing a novel sensor (TransP) that was designed for indirect, continuous in-situ determination of stomatal ozone uptake. Finally, a set of transfer functions was developed to estimate PODY based on xylem sap flow measurements in beech. Quelle: Forschungsbericht
description: Das Vorhaben hat gezeigt, dass bodennahes Ozon in Deutschland ein Risiko für landwirtschaftliche Erträge, Zuwachs und Kohlenstoffspeicherung in Wäldern sowie für die ⁠Biodiversität⁠ terrestrischer Ökosysteme darstellt. Für die Wirkungsbewertung ist aus fachlicher Sicht der flussbasierte Ansatz, der sich auf die Phytotoxische Ozon-Dosis (⁠POD⁠) stützt, zu verwenden. Eine im Vorhaben herausgearbeitete Erkenntnislücke besteht in der fehlenden Validierung der Ozonaufnahme in Nadeln und Blätter von Waldbäumen. Um diese Validierung zu ermöglichen sind Experimente unter realitätsnahen Bedingungen im Freiland über zwei Vegetationsperioden erforderlich.