Bitki yüzeylerinde Eddy kovaryans yöntemiyle ölçülen ve modellenen karbon değişiminin analizi
Analysis of modeled and measured carbon exchange measured by the Eddy covariance method on plant surface
Yazar: NİLCAN ALTINBAŞ
Danışman: PROF. DR. LEVENT ŞAYLAN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Meteoroloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Atmosfer Bilimleri Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Meteoroloji = Meteorology ; Ziraat = Agriculture
Dizin: Eddy akımları = Eddy currents ; Kanola = Canola ; İklim değişikliği = Climate change

Özet:
Ülkeler arası yapılan iklim değişikliği ile ilgili protokollerde, ulusal ve küresel sera gazı emisyonlarının azaltılmasına ve yutak miktarının arttırılmasına yönelik çalışmaların gerekliliği vurgulanmaktadır. Bu kapsamda, karbon ayak izinin azaltılması birincil amaçtır. Ülkeler, sera gazı bütçelerini IPCC tarafından belirlenen üç aşamadan birine göre hesaplamak durumundadır. Bu aşamalardan birincisi, kendi bitkilerine özgü emisyon ve yutak katsayıları olmadığı durumda ülkelerin kullanması gereken katsayıları sağlayan en alt aşamadır. İkinci ve üçüncü aşamalar ise ülkelerin kendi ülkelerinde geliştirilmiş araştırmalara ve modellere dayanarak yapılan sera gazı hesaplamalarına dayanır. Genellikle ülkelere özgü emisyon ve yutak katsayıları yok ise Hükümetler Arası İklim Değişikliği Paneli (IPCC) tarafından kendilerine önerilen yöntem veya başka ülkelerdeki çalışmalardan elde edilen katsayılardan uygun olanı seçip kullanma zorunluluğu oluşmaktadır. Bu durum, ülkelerin ulusal sera gazı emisyon ve yutaklarının; dolayısıyla sera gazı bütçelerinin tam olarak doğru tespit edilmesinde önemli bir engel oluşturmaktadır. Ülkemizde de sera gazı emisyon ve yutak katsayılarının olmadığı sektörler ve alt bileşenlerinde IPCC tarafından önerilen yöntem ve katsayılar ile ulusal sera gazı bütçemiz hesaplanmaktadır.
Ülkemiz sera gazı bütçesinde tarım alanlarından kaynaklanan CO2 eşdeğeri yaklaşık %14 gibi büyük bir paya sahiptir. Bu konuda yapılacak çalışmalar için de öncelikle yersel verilerin elde edilmesi, net ekosistem değişiminin ve bileşenlerinin belirlenmesi ilk adımı oluşturmaktadır. Bu konuda yapılacak çalışmalar için de öncelikle yersel verilerin elde edilmesi, net ekosistem değişiminin ve bileşenlerinin belirlenmesi ilk adımı oluşturmaktadır. Bu tür çalışmaların genişletilmesiyle birlikte önce küçük çapta daha sonra da büyük çapta karbon bütçeleri oluşturulabilir. Ortaya çıkacak sonuçlar, bitkilerin mikrometeorolojik anlamda atmosfere etkileri hakkında bilgilendirme yapabileceği gibi tarım ve iklim politikalarının belirlenmesinde yer alan planlayıcı kurum ve kuruluşlara da katkıda bulunabilecektir. Gelecekte, bu çalışma kapsamında belirlenecek yutak ve emisyon katsayıları, bölgede tarımla uğraşan çiftçilere devlet teşvikleri sağlanması ile ilgili politikalarda kullanılabilir.
Bu tez çalışmasının ana amacı; enerji akılarını belirlemede uluslararası literatürde en yaygın kullanılan yöntemlerden biri olan Eddy Kovaryans tekniği ile kanola bitkisi yüzeyinden ölçümler alınarak, toprak ve atmosfer arasındaki sera gazı değişimlerinin belirlenmesidir. Ayrıca, ekili bitkinin fotosentez ve solunum bileşenleri göz önüne alınarak, karbon yutak ve emisyonu bakımından atmosfere nasıl bir etkide bulunacağının belirlenmesi hedeflenmiştir. Sonuç olarak, elde edilen net ekosistem değişimi (NEE)'nin farklı veriler yardımıyla ve istatistiksel yöntemlerle modellenmesi ve model sonuçlarının ölçümlerle karşılaştırılarak en uygun yöntemlerin literatüre kazandırılması amaçlanmıştır.

Ayrıca NEE ölçümlerinin yaygın olmaması sebebiyle, ihtiyaç duyulduğunda eldeki farklı değişkenlerle tahmininin yapılabilmesi aracılığıyla, literatürde sıklıkla kullanılan istatistiksel yöntemlerin kullanılabilirliğinin araştırılması da amaçlanmıştır. Bu amaçla hem lineer hem de nonlineer analizlerle yüksek ilişkiler sağlanabilecek yöntemler seçilmiştir. Bu yöntemlerin uygulanabilmesi için farklı veri setlerinin kullanıldığı senaryoların oluşturulması planlanmış, test edilmiş ve daha sonra uygulamaları yapılmıştır.
Tez kapsamında, Kırklareli ilindeki Atatürk Toprak, Su ve Tarımsal Meteoroloji Araştırma Enstitüsü arazisinde (41°41'53''K, 27°12'37''D, 170 m), İTÜ Meteoroloji Mühendisliği Bölümü Tarımsal Meteoroloji Araştırma Ekibi tarafından kurulmuş olan Eddy Kovaryans (LI-7500, LI-COR Biosciences) sisteminden 10 Hz zaman çözünürlüğünde veri toplanmış ve analizleri yapılmıştır. Eddy Kovaryans yöntemi; tarım alanları, ormanlık alanlar, şehir alanları, su yüzeyleri gibi farklı ekosistemlerde uygulanabilen bir yöntemdir. 
Aynı arazide bulunan tarımsal meteoroloji istasyonundan alınan meteorolojik veriler, arazi çalışmalarından elde edilen tarımsal veriler ve MODIS uzaktan algılama verileri de bu çalışmada yapılan analiz ve karşılaştırmalar için kullanılmıştır. 
Çalışma kapsamında, Dünya çapında önemli bir yağ bitkisi olarak bilinen kanolanın (Brasicca napus Oleifera sp.), 15 Ekim 2015-29 Haziran 2016 tarihleri arasındaki gelişme dönemini kapsayan veri kullanılmıştır. Veri, kanola ekili arazi üzerinden gelişme dönemi boyunca eksiksiz olarak toplanmıştır.
Kanola, ülkemizde hem kışlık hem yazlık olarak yetiştirilebilen bir bitkidir. Kısa gelişme dönemiyle birim alandan yüksek ürün ve yağ sağlanması sebebiyle tüm dünyada uzun yıllardır tarımsal üretimde tercih edilen bir bitkidir. Yağlı tohumuyla üretimde avantaj sağlayan bu bitkinin, karbon salınımı bakımından da avantajlarının araştırılmasının hem üreticiler hem de karar vericiler için bilgilendirici olacağı düşünülmektedir. Ülkemizde, üretim miktarlarına göre üreticilere sağlanan primler belirlenirken verim üzerinde durulmaktadır. Fakat iklim değişikliği ve hava kirliliği gibi artmakta olan çevresel sorunlar göz önüne alındığında, gelecek yıllarda üretimi yapılan bitkilerin çevreye olan katkıları da göz önünde bulundurularak bu primlerin belirlenmesi mümkün olabilir. Bunun sağlanması için öncelikle bitkilerin atmosferle ve çevreyle etkileşimlerinin ayrı ayrı incelenmesi gerekmektedir. Bu bağlamda, bu tez çalışmasının da içeriğini oluşturan karbon akılarının bilinmesi bir noktada daha ön plana çıkmaktadır.
Çalışmada öncelikle EC verisi ve aynı zamanda meteorolojik veri toplanarak analiz edilmiştir. Tüm veriler için kalite kontrol işlemleri gerçekleştirilmiş olup; aykırı verinin veri setinden uzaklaştırılması, doldurulması ve filtrelenmesi gibi işlemler her veri setine özel olarak uygulanmıştır. Gelişme dönemi boyunca araziden alınan örnek ve fotoğraflarla fenolojik dönemler belirlenmiş ve analizlerde bu dönemler ayrı ayrı incelenmiştir. Bitki gelişiminin göstergeleri olan veriler de belirli aralıklarla toplanmış ve daha sonra uzaktan algılama verisiyle karşılaştırılmıştır.
Arazide ekili kanola bitkisinin, gelişme dönemi boyunca atmosferden bünyesine ne kadar CO2 gazı indirdiğini ve atmosfere ne kadar CO2 gazı saldığını belirlemek için EC sisteminden alınan ölçümlerle NEE belirlenmiştir. Bu çalışma, ülkemizde kanola bitkisinin NEE değişimlerinin belirlendiği ve dolayısıyla yaygın olarak yetiştirilen bu bitkinin karbon bütçesine etkisinin belirlendiği ilk çalışmadır.
Ölçüm sonuçlarından elde edilen analizlere göre; NEE'nin negatif değerlerinin en yüksek olduğu (bitkinin bünyesine CO2 indirdiği) zamanlar, kanola bitkisinin yapraklanma, çiçeklenme ve tohum oluşturma dönemlerinde gerçekleşmiştir. Diğer fenolojik dönemlerde ise salınan CO2 miktarları indirilenden fazladır. Bitki, 258 günlük gelişme dönemi boyunca m2 başına atmosferden yaklaşık olarak 116,3 gram karbon indirmiştir. Kanola gelişme dönemindeki günlük NEE değerlerinin ortalaması -0,47 g C m-2 olarak hesaplanmıştır.
NEE'nin gelişme dönemi boyunca belirlenmesinin ardından, diğer değişkenlerle ilişkileri incelenmiştir. Tarımsal meteorolojik değişkenlerle ilişkiler incelendiğinde; NEE'nin en yüksek ilişkileri sıcaklık, toprak su içeriği ve global radyasyon verisiyle gösterdiği görülmüştür. Bitki büyüme ölçütlerinden bitki boyu, LAI ve kuru biyokütle ile de istatistiksel olarak anlamlı ilişkilere ulaşılmıştır.
Daha sonra, farklı istatistiksel yöntemlerle NEE'nin tahmini ve modellenmesi üzerine çalışılmıştır. Meteoroloji, tarım ve uzaktan algılama verisinin bir arada kullanıldığı lineer ve nonlineer yöntemlerle NEE verisinin validasyonu ve tahmini için analizler yapılmıştır.
NEE'nin modellenmesi amacıyla, farklı değişken setlerini içeren senaryolara göre çoklu lineer regresyon, destek vektör makineleri, nonlineer regresyon ve yapay sinir ağları yöntemleri kullanılmıştır. Senaryolar oluşturulurken; NEE'nin en yüksek ilişkili olduğu değişkenler, meteoroloji ölçüm istasyonlarında en yaygın ölçülenler, tarımsal meteorolojik ölçümlerin de hesaba katılması gibi birtakım ölçütler göz önünde bulundurulmuştur. Farklı senaryolara ait sonuçlar ayrı ayrı irdelenmiştir.
Orijinal NEE verisiyle tahminler kıyaslandığında, tüm senaryolar için en yakın sonuçları nonlineer regresyon analizleri vermiştir. Diğer analizlere göre korelasyonlar daha yüksek, hata terimleri daha düşük çıkmıştır. NEE'nin en tutarlı tahmininin elde edildiği senaryo; en az değişkenin ele alındığı ve yapay sinir ağları ile yapılan analiz sonucu elde edilmiştir. En yüksek determinasyon katsayısı (R2=0,80), bu analiz sonucunda elde edilmiştir.
Sonuç olarak, çalışma bulguları; kanola bitkisinin karbon salınımı davranışı, fotosentez ve solunum aktiviteleri çerçevesinde NEE'nin meteoroloji, bitki ve uzaktan algılama verilerine göre analizi, tahmini ve kullanılabilecek istatistiksel yöntemler ile birlikte tahminlerin hangi veriler ele alındığında iyileştirilebileceğine dair önemli sonuçları ortaya koymuştur.

Abstract:
In a world that have been developing continually in terms of technology and population globally, the effects of humans on the environment are becoming more evident day by day. In particular, the sources that cause greenhouse gas emissions cause long-term effects in the world we live in. Among the main ones are air pollution and climate change. 
As it is known, in the protocols on climate change made between countries, the necessity of studies to reduce national and global greenhouse gas emissions and increase the amount of sink is emphasized. In this context, reducing the carbon footprint is the primary goal. Countries have to calculate their greenhouse gas budgets according to one of the three stages determined by the The Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC). The first of these stages is the lowest stage that provides the coefficients that countries should use in the absence of emission and sink coefficients specific to their plants. The second and third stages are based on greenhouse gas calculations according to the research and the models developed by the countries for their own use.
Generally, if there are no country-specific emission and sink coefficients, it is obligatory to choose and use the method recommended by the IPCC or the coefficients obtained from studies in other countries. This situation constitutes an important obstacle to the accurate determination of the national greenhouse gas emissions and sinks of the countries, and therefore the greenhouse gas budgets.
In Turkey, the national greenhouse gas budget is calculated with the methods and coefficients recommended by the IPCC for the sectors and sub-components that do not have greenhouse gas emission and sink coefficients. In our country's greenhouse gas budget, the CO2 equivalent originating from agricultural areas has a large share of approximately 14%. For studies to be carried out on this subject, firstly, obtaining local data and determining the net ecosystem change and its components constitute the first step.
In studies to be carried out on this subject, firstly, obtaining local data and determining the net ecosystem change and its components constitute the first step. With the expansion of such studies, carbon budgets can be presented first on a small scale and then on a large scale. The results will not only inform the micrometeorological effects of plants on the atmosphere, but also contribute to the planning institutions and organizations involved in the determination of agriculture and climate policies.
In this study, it is aimed to determine the greenhouse gas exchanges between the soil and the atmosphere by taking measurements from the plant surface with the Eddy Covariance (EC) technique, which is one of the most widely used methods in the international literature in determining energy fluxes. Another aim of the study is to determine how the cultivated plant will affect the atmosphere by considering the carbon absorption and emission. In addition, due to the fact that NEE measurements are not common, it is also aimed to investigate the usability of statistical methods which are frequently used in the literature, by making estimation with different variables at hand when needed. For this purpose; the statsitical methods that can provide high correlations covering both linear and nonlinear analyzes were selected. In order to apply these methods, scenarios using different data sets were planned, tested and then implemented.
Within the scope of the thesis, 10 Hz time resolution data were collected and analyzed from the EC  (LI-7500, LI-COR Biosciences) system, which was established by the Agricultural Meteorology Research Team of ITU Meteorology Engineering Department, on the territory of Atatürk Soil, Water and Agricultural Meteorology Research Institute in Kırklareli (41°41'53''N, 27°12'37''E, 170 m asl). 
EC is a micrometeorological method which can be applied in different ecosystems such as agricultural areas, forest areas, urban areas, and water surfaces. Although the EC method requires a costly measurement system, it is one of the most preferred micrometeorological methods in practice for the determination of greenhouse gas fluxes because it allows uninterrupted and long-term data collection and has high temporal resolution.
The meteorological data collected from the same field, the agricultural data obtained from field studies on canola canopy and the remote sensing data from MODIS were also used for the analysis and comparisons in this study.
Within the scope of the study, data between October-June 2015-16 covering the development period of canola (Brasicca napus Oleifera sp.) which is a well-known oil crop worldwide, were used. Data were collected from canola cultivated land in full and continuously throughout the development period.
Canola (also known as rapeseed) is an important oil plant that can be grown both in summer and winter. Availability of winter and summer varieties of canola, short development period, high yield and oil per unit area are among the reasons for preference in terms of production. The oil obtained from the seeds of the canola plant is used as edible oil, as well as in the production of fuel for vehicles, so it is an important product for both farmers and consumers. Considering the above reasons, the canola plant was selected for this study carried out in the Thrace Region, and it is thought that the results to be obtained will be beneficial to the decision makers by evaluating them in terms of carbon budgets.
While determining the insurances and premiums provided to the farmers according to the production quantities, efficiency is taken as the primary factor. Howewver, considering the increasing environmental problems such as climate change or air pollution, it may be possible to determine these premiums by considering the environmental contributions of the crops produced in the coming years. In order to achieve this, first of all, it is necessary to examine the interactions of crop canopies with the atmosphere and the environment, separately. In this context, understanding the behaviour of the carbon fluxes that make up the content of this thesis, comes to the fore at one point.
In the study, primarily EC and meteorological data over canola canopy were collected and analyzed. Quality control procedures were carried out for all data, and operations such as removing outliers from the data set, filling in and filtering were applied specifically to each data set. Phenological periods were determined by collecting the crop samples from the study field and taking photographs on the field during the development period that were examined separately for the analyses. Data, which are indicators of plant growth, were also collected at regular intervals and then compared with remote sensing data.
NEE was determined by the measurements taken from the EC system to determine how much CO2 the canola crop cultivated in the field reduced from the atmosphere to its body during the development period and how much CO2 it released into the atmosphere. This is the first study in Turkey in which the NEE changes of the canola crop were determined and therefore the effect of this widely grown crop on the carbon budget was determined. 
According to the analyzes obtained from the measurement results, the times when the negative values of NEE are highest (reduces CO2 into the plant) occurred during the leafing, flowering and seed forming stages of the canola growing season. In other phenological periods, the amount of released CO2 is higher than the reduced amount. The crop has reduced approximately 116,3 grams of carbon per m2 from the atmosphere during its development period covering 258 days. The average daily NEE values during the canola development period were calculated as -0,47 g C m-2.
After NEE was determined during the growing period, its relations with other variables were examined. When the relationships with agricultural meteorological variables were examined, it was seen that NEE showed the highest relationships with temperature, soil water content and global radiation data. Statistically significant relationships were also found with crop height,  leaf area index and dry biomass, which are indicators of crop growth. Then, the estimation and modeling of NEE was studied with different statistical methods. Analyzes were made for the validation and estimation of NEE data using linear and nonlinear methods, in which meteorology, agriculture and crop data are used together.
In order to model NEE, multiple linear regression, support vector machines, nonlinear regression and artificial neural network methods were used according to scenarios involving different variable sets. While creating the scenarios, some criteria such as the variables with the highest correlation of NEE, the most common measurements at meteorological measurement stations, and the agro-meteorological measurements were taken into account. The results of different scenarios were analyzed separately.
When the estimates were compared with the original NEE data, nonlinear regression (NR) analyzes gave the closest results for all scenarios. Compared to other analyzes, correlations are higher and error terms are lower by using NR. The scenario in which the most consistent estimation of NEE was obtained as a result of the analysis made with artificial neural networks, in which the least variable was considered. The highest coefficient of determination (R2=0,80) was obtained as a result of this analysis.
As a result, the findings of the study revealed important results regarding the analysis and estimation of NEE according to meteorology, crop and remote sensing data within the framework of the carbon emission behavior, photosynthesis and respiratory activities of the canola crop along with the statistical methods that can be used, and the data needed to improve forecasts.