Ayçiçeği bitkisinin karbondioksit akılarının Eddy kovaryans yöntemiyle belirlenmesi
Determination of carbon dioxide fluxes of sunflower plant by Eddy covariance method
Yazar: AYHAN ÇAĞLIYAN
Danışman: PROF. DR. LEVENT ŞAYLAN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / İklim Bilimi ve Meteoroloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Atmosfer Bilimleri Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Meteoroloji = Meteorology
Dizin: Mikrometeoroloji = Micrometeorology

Özet:
İklim değişikliği, atmosferdeki sera gazı miktarlarının artmasıyla şiddetlenmekte ve olumsuz etkileri artmaktadır. Bu durumu kontrol altına almak için sera gazı kaynakları ve yutak alanları üzerinde çalışmalar yoğunlaşmıştır. Karasal ekosistemde karbondioksit (CO2) yutak alanları arasında ormanlar, otlaklar, tarım arazileri, sulak alanlar, çalılıklar ve savanlar bulunmaktadır. Tarım alanlarından meydana gelen CO2 emisyon ve yutak değerlerinin tespiti, ulusal ve küresel sera gazı bütçesinin belirlenmesinde çok önemlidir. 
Bu çalışma, iklim değişikliği bağlamında tarımsal faaliyetlerin ve bitki örtüsünün karbon akıları üzerindeki etkilerini incelemek amacıyla yapılmıştır. Mikrometeorolojik bir yöntem olan Eddy kovaryans (EC) yöntemi kullanılan bu çalışma, ayçiçeği bitkisi üzerinde yapılmıştır. Uluslararası alanda yaygın olarak kullanılan ve güvenilir sonuçlar veren bu mikrometeorolojik yöntem, çeşitli tarımsal ürünlerin karbon akılarının hassas bir şekilde belirlenmesinde sıklıkla kullanılmaktadır. Mevcut literatürde yapılan çalışmaların büyük bir çoğunluğu buğday ve mısır gibi bitkilere odaklanmış olup, ayçiçeği gibi önemli bir tarımsal ürün üzerinde yeterli araştırma yapılmamıştır. Bu çalışma, ayçiçeği bitkisinin net ekosistem karbon değişimini (NEE), brüt birincil üretimini (GPP) ve ekosistem solunumunu (Reco) belirlemeyi amaçlamaktadır. Ayçiçeği bitkisi üzerinde yapılan bu ayrıntılı çalışma, bu bitkinin farklı büyüme evrelerindeki karbon dinamiklerini ortaya koymayı hedeflemekte olup, literatürdeki önemli bir boşluğu doldurmayı amaçlamaktadır. Bu çalışmada elde edilen sonuçlar, tarımsal ekosistemlerin karbon bütçesinin daha iyi anlaşılması açısından önemli katkılar sağlayabilir.
Bu çalışma kapsamında geniş kapsamlı bir literatür taraması yapılmış ve dünya genelinde farklı bitkilerin NEE değerleri incelenerek bu çalışmalardan elde edilen sonuçlar belirlenmiştir. Çeşitli bölgelerde ve iklim koşullarında yapılan çalışmalardan hesaplanan NEE değerleri, literatür taramasıyla elde edilerek karşılaştırılmıştır. 
Tez kapsamında, ayçiçeği bitkisinin farklı fenolojik evrelerindeki karbon akıları detaylı bir şekilde belirlenmiş ve bu akılardaki değişimlerin hangi faktörlerden kaynaklandığı incelenmiştir. Bitkinin tüm fenolojik evreleri analiz edilmiş ve bu evrelerde meydana gelen karbon akılarındaki değişiklikler belirlenmiştir. Ayrıca, bitkinin yaprak alan indeksi (LAI), bitki boyu ve bitki biyokütlesi gibi bitkisel özelliklerinin, bitkinin karbon akıları ile ilişkisi araştırılmıştır. Elde edilen sonuçlar, çeşitli meteorolojik değişkenlerle ilişkilendirilmiş ve hangi meteorolojik değişkenlerin karbon akılarını etkilediği belirlenmeye çalışılmıştır. Bu bağlamda; hava sıcaklığı, toprak sıcaklığı, bağıl nem ve güneş radyasyonu gibi meteorolojik değişkenlerin ayçiçeği bitkisinin karbon akıları üzerindeki etkileri incelenmiştir. Bu değişkenlerin her birinin ayçiçeği bitkisinin karbon akılarıyla olan ilişkisi bulunmuştur. 
Atatürk Toprak Su ve Tarımsal Meteoroloji Araştırma Enstitüsü Müdürlüğü'nün çalışma sahasında 11 Nisan 2017 ve 15 Ağustos 2017 tarihleri arasını kapsayan bu çalışmada, eddy kovaryans yöntemi kullanılarak ayçiçeği bitkisinin ekiminden hasadına kadar toplam Reco, GPP ve NEE değerleri sırasıyla 1053.45 gC/m²,  1424.33 gC/m² ve -371.87 gC/m² olarak belirlenmiştir. 
Hava sıcaklığı, çıkış ve yapraklanma gibi fenolojik aşamalarda GPP ile daha yüksek ilişkiye sahipken, bu ilişki diğer dönemlerde azalmaktadır. Yine aynı dönemlerde toprak sıcaklığıyla beraber Reco ve GPP değerleri de paralel bir artış sağlamıştır. Bitkinin tüm fenolojik evreleri birlikte değerlendirildiğinde, toprak sıcaklığı ve hava sıcaklığının NEE karbon akısı ile arasında anlamlı bir ilişki tespit edilememiştir.

Abstract:
Climate change is increasingly exacerbated by the increase in the amount of greenhouse gases in the atmosphere, and its negative effects are becoming more evident every day. Increasing greenhouse gases in the atmosphere cause temperatures to rise worldwide, weather events to become more severe and frequent, and sea levels to rise. This situation causes serious damage to ecosystems and poses major threats to human health, agriculture, water resources and biodiversity.
In order to control these negative effects and slow down the pace of climate change, scientists and policy makers have focused on greenhouse gas sources and sinks. These studies to reduce greenhouse gas emissions and balance the amount of greenhouse gases in the atmosphere form the basis of global climate policies and strategies. In particular, identifying and managing carbon sink areas is one of the most important elements of these efforts.
Forests, grasslands, agricultural lands, wetlands, shrubs and savannas have an important place among carbon dioxide (CO2) sink areas in terrestrial ecosystems. These areas play a role in mitigating climate change by taking CO2 from the atmosphere and storing carbon in biomass and soil. Forests are the strongest carbon sinks with their large leaf surfaces and high biomass. Although grasslands and shrubs have lower biomass, they can store significant amounts of carbon because they are spread over large areas. Agricultural lands also temporarily store carbon in biomass by taking CO2 from the atmosphere during the growth process of plants. Wetlands and savannas play a critical role in combating climate change by storing significant amounts of carbon in both biomass and soil.
Determination of CO2 emission and sink from agricultural areas is of great importance in determining the national and global greenhouse gas budget. Agricultural activities can both cause greenhouse gas emissions and act as carbon sinks. Therefore, understanding the role of farmland in the carbon cycle is vital for developing effective strategies to combat climate change. As a result, greenhouse gas budgets can be accurately calculated and help implement climate change policies effectively.
This study, using the Eddy covariance method, was carried out in a 2.5 ha study area in the trial area of the Atatürk Soil, Water and Agricultural Meteorology Research Institute, located in Kırklareli, Turkey. The study covers the period from growth planting to harvest of the sunflower plant, covering the period from April 11, 2017 to August 15, 2017.
Both an Eddy covariance station and an agricultural meteorology measurement station were installed in the trial area. The Eddy covariance station measured CO2 and water vapor fluxes in the atmosphere, while the agricultural weather station measured key meteorological variables such as temperature, humidity, wind speed and solar radiation. Flux data occurring when there was not enough turbulence were discarded. In addition, data on rainy days and flux data on days when water droplets accumulated on the sensors used in the Eddy covariance method were removed from the data set on the grounds that they were incorrect. Morever, any outliers that occurred were also removed. Coordinate correction was applied to the data set to correct errors that may occur when placing the Sonic anemometer, one of the two most important sensors of the Eddy covariance method. After this correction, WPL correction (WPL) was applied to eliminate the effects of temperature and water vapor fluctuations in CO2 and H2O flux measurement. Although the data set became more meaningful as a result of these operations, gaps appeared in the data set. The data set was completed by filling these gaps with the gap filling method used in the Eddy covariance method. 
After all these processes, the carbon fluxes of the sunflower plant were examined as 3 main carbon fluxes: gross primary production (GPP), ecosystem respiration (Reco) and net ecosystem exchange (NEE). Daily average Reco, GPP and NEE values of sunflower plants were calculated as 8.29, 11.21 and -2.92 g C/m2, respectively. Total Reco, GPP and NEE values were found to be 1053.45 gC/m², 1424.33 gC/m² and -371.87 gC/m², respectively. The fact that the NEE value is negative indicates that the sunflower plant works as a total carbon sink and sinks more carbon than it emits into the atmosphere.
Within the scope of the thesis, carbon fluxes in different phenological stages of the sunflower plant were determined in detail and the factors causing the changes in these fluxes were examined. All phenological stages of the plant were analyzed and the changes in carbon fluxes occurring in these stages were determined. Additionally, the relationship between plant characteristics such as leaf area index, plant height and plant biomass and plant carbon fluxes was investigated. The results obtained were associated with various meteorological variables and it was tried to determine which carbon flux decreased or increased under which meteorological conditions. In this context; The effects of meteorological variables such as air temperature, soil temperature, relative humidity and solar radiation on the carbon fluxes of the sunflower plant were examined. The relationship of each of these variables with the carbon fluxes of the sunflower plant was examined. 
The ratios of the carbon fluxes of the sunflower plant to each other were obtained, and the results were graphically represented and interpreted in detail. It was found that as air temperature increases, the GPP values also increase. Specifically, during the early growth stages (germination and leaf development), temperature has a more pronounced effect on GPP, whereas this effect diminishes during the maturation and harvest stages. During the germination and leaf development stages, it was observed that as soil temperature increases, the GPP values also increase exponentially. The air temperature has a higher correlation with GPP during phenological stages such as bud break and leafing, while this relationship decreases during other periods. Similarly, during these periods, the values of Reco and GPP increased in parallel with soil temperature.
The relationship between NEE values and air temperature during different phenological stages of the sunflower plant was also investigated. It was found that during the leaf development and flower head formation stages, the correlation between air temperature and the NEE carbon flux of the sunflower is stronger. When all phenological stages of the plant are considered together, no significant relationship was found between soil temperature and air temperature with NEE carbon flux.