CABIN: A model of the carbon balance of the vegetation´s gas exchange for calculating the NPP in global coupled C-N-cycle models

Unter der Überschrift Erdsystemforschung beschäftigt sich die Wissenschaft mit dem globalen Wandel und der Klimaveränderung. Das Erdsystem besteht aus den Teilsystemen Biosphäre, Atmosphäre und Ozean. Diese sind in sich und untereinander hochgradig rückgekoppelte durch Kreisläufe von Energie und Materie. Die wichtigsten Stoffkreisläufe sind diejenigen von Kohlenstoff, Stickstoff und Wasser. Eine moderne Methode zur Beantwortung von Fragestellungen nach der zukünftigen Veränderung des Erdsystems ist die mathematische Modellierung. Bezüglich des globalen C-Kreislaufs ist nach aktuellem Stand der Forschung eine dynamische Koppelung an den globalen N-Kreislauf notwendig. Um realistische Reaktionen eines Modells auf zukünftige Umweltbedingungen zu erzielen, sollten die zu beschreibenden Systeme möglichst prozessorientiert modelliert werden. Um die empirische Modellierung der Nettoprimärproduktivität (NPP) in globalen Modellen des gekoppelten C-N-Kreislaufs durch einen prozessorientierten stickstoffabhängigen Ansatz zu ersetzen, wurde das Modell CABIN (CArbon Balance Influenced by Nitrogen) entwickelt. In CABIN wird die NPP aus den unabhängig voneinander beschriebenen Prozessen der Photosynthese und autotrophen Respiration bilanziert. Dazu wurden neuartige Modelle der pflanzlichen Respiration, der Kohlenstoffspeicherung und der Bildung von struktureller Phytomasse (Allokation) entwickelt. In CABIN füllt die Photosynthese einen Pool von Assimilaten, aus dem die Prozesse Respiration, Allokation und Speicherung Kohlenstoff entnehmen. Als Reserve gespeicherter Kohlenstoff kann wieder remobilisiert werden. CABIN wurden für diese Arbeit noch nicht dynamisch an ein globales C-N-Kreislaufmodell gekoppelt. Phytomassen und N-Gehalte der Vegetation wurden vorgeschrieben. Um CABIN zu prüfen, wurde die modellierte NPP mit Messdaten verglichen. Dies wurde für 25 Messorte in den Vegetationstypen Tundra, borealer Wald, temperierter Wald, Steppe, mediterrane Vegetation, Savanne, Trockenwald, tropischer Regenwald und Wüste durchgeführt. CABIN wurde für alle Vegetationstypen einheitlich parametrisiert und mit durchschnittlichen Wetterdaten angetrieben. In der Grundparametrisierung kann CABIN für die Hälfte der Messorte die gemessene NPP gut reproduzieren. Positive Abweichungen treten für borealen Wald und Steppe auf. Für den tropischen Regenwald und die mediterrane Vegetation kann keine positive C-Bilanz erzielt werden. Die auftretenden Abweichungen der modellierten von der gemessenen NPP sind für Messorte mit hoher mittlerer Jahrestemperatur negativ. Bei mittleren Jahrestemperaturen zwischen 13°C und 22°C streuen sie um null; darunter treten positive Abweichungen auf. Mit zunehmenden Füllständen der Kohlenhydratpools werden die Abweichungen positiver. Werden die Werte zentraler Parameter von CABIN innerhalb plausibler Wertebereiche variiert, so zeigt sich, dass für die meisten Messorte die gemessene NPP reproduziert werden kann. In Vegetationstypen mit hohen mittleren Jahrestemperaturen bleibt jedoch die gemessene NPP bei den meisten Parametrisierungen unterschätzt. Der umgekehrte Fall tritt bei geringen mittleren Jahrestemperaturen auf. Der Einfluss einzelner Parameter auf die modellierte NPP wurde anhand der sich bei der Variierung der Parameterwerte ergebenden Spannen der modellierten NPP quantifiziert. Ein besonders starker Einfluss zeigte sich beim respiratorischen Grundumsatz. Außerdem erwiesen sich die Stickstoffabhängigkeit von Photosynthese und Respiration sowie die Menge lebenden Gewebes im Holz und die Referenztemperatur als einflussreich. Nur einen geringen Einfluss hat die Temperaturabhängigkeit von Photosynthese und Respiration und die Verringerung der Photosynthese bei gefüllten Kohlenhydratspeichern. Die global einheitliche Parametrisierung für alle Vegetationstypen ist bei der aktuellen Struktur von CABIN nicht geeignet, um überall eine realistische NPP zu modellieren. Eine Anpassung der Detailtiefe der Prozessbeschreibungen und/oder eine vegetationstypspezifische Parametrisierung könnte notwendig sein, um die Ungleichgewichte von Photosynthese und Respiration zu eliminieren. Es muss in der Natur Prozesse oder Regulationsmechanismen geben, die es den Pflanzen speziell bei hohen mittleren Jahrestemperaturen ermöglichen, positive Kohlenstoffbilanzen zu erzielen. Die Ergebnisse lassen den respiratorischen Grundumsatz als wahrscheinlichsten Angriffspunkt solcher Anpassungen erscheinen. The earth system consists of the atmosphere, the terrestrial biosphere, and the oceans. In and between these systems, there are feedback loops driven by global cycles of energy and matter. The cycles of carbon, nitrogen and water are of major importance. In order to deal with questions concerning the future state of the earth system, a modern method is mathematical modelling. Based on current knowledge, for a proper model representation of the global carbon cycle, it is necessary to couple it to the nitrogen cycle. To achieve realistic responses of a model to changing environmental conditions, a process oriented approach should be used. The model CABIN (CArbon Balance Influenced by Nitrogen) was developed to replace empirical formulations of net primary production (NPP) in global models of the C-N-cycles by a nitrogen dependent and process oriented approach. In CABIN the NPP is balanced from independent models of photosynthesis and autotrophic respiration. New concepts for modelling respiration and the build-up of carbon reserves and structural phytomass (allocation) were developed. In CABIN, photosynthesis fills a pool of assimilates that are used by the processes of respiration, carbon storage and allocation. Reserve carbohydrates can be remobilised. CABIN was not yet coupled to a global C-N-cycle model. Instead phytomasses and nitrogen contents were prescribed. To check CABIN, the modelled NPP was compared with measured data. Data from 25 sites were chosen and assigned to the following vegetation types: tundra, boreal forest, temperate forest, steppe, Mediterranean vegetation, savannah, dry forest, tropical rainforest and desert. A uniform global parameterization of CABIN was applied to all vegetation types. CABIN was driven by mean meteorological data. With its basic parameterisation, CABIN is able to reproduce the measured NPP of half the test sites. Positive deviations of the modelled from the measured NPP occur for boreal forest and steppe. For tropical rainforest and Mediterranean vegetation, no positive carbon balance could be achieved. The deviations are negative for sites with low mean annual temperature. For mean annual temperatures between 13°C and 22°C, the deviations scatter around zero. Below this, there are positive deviations. Deviations become more positive with higher levels of the carbohydrate pools. The measured NPP of most of the test sites can be reproduced when parameters of CABIN are varied within plausible ranges. For vegetation types with high mean annual temperatures, NPP is underestimated for most sets of parameters. The opposite is the case where mean annual temperatures are low. The Influence of a parameter on the modelled NPP was quantified via the ranges of modelled NPP values occurring for a varied parameter. The strongest influence was found for the base respiration. Nitrogen dependency of photosynthesis and respiration and the amount of living woody tissue as well as the reference temperatures were also found to be main influences. Only a small influence was found for the temperature dependency of photosynthesis and respiration and the reduction of photosynthesis due to high carbon reserves. The global uniform parameteriszation does not seem to be suitable for modelling realistic NPP with CABIN in its current structure. Therefore, adjustments of the level of detail in process description and/or a parameterisation specific for vegetation types might be necessary to eliminate the imbalance of photosynthesis and respiration. There must be processes or regulation mechanisms in nature which allow plants to gain positive carbon balances in habitats with high mean annual temperatures. The results suggest base respiration to be a main subject of such adaptations.