Jurnal Perputaran Siklus Karbon dan Air di Hutan Hujan Tropis Kalimantan dengan Skenario Faktor Iklim Sekarang dan Masa Depan

Perputaran Siklus Karbon dan Air di Hutan Hujan Tropis Kalimantan dengan Skenario Faktor Iklim Sekarang dan Masa Depan
( Carbon  and water cycling in a Bornean tropical rainforest under current and future climate scenarios )

Tomo’omi Kumagai a,b,*, Gabriel G. Katul b,c,  Amilcare Porporato c, Taku M. Saitoh d, Mizue Ohashi e, Tomoaki Ichie f, Masakazu Suzuki g

a  University Forest in Miyazaki,  Kyushu University, Shiiba-son, Miyazaki  883-0402, Japan

b  Nicholas School of the Environment and Earth  Sciences, Box 90328, Duke University, Durham, NC 27708-0328, USA

c  Department  of Civiland EnvironmentalEngineering, Box 90287, Duke University, Durham, NC 27708-0287, USA

d  Research Institute of Kyushu University Forest, Sasaguri,  Fukuoka 811-2415, Japan

e  Faculty of Forestry,  University of Joensuu, Joensuu 80101, Finland

f  Center for TropicalForest  Science—Arnold Arboretum, Asia Program,  NIE-NTU  637616, Singapore

g  Graduate  Schoolof Agricultural and Life Sciences, The University of Tokyo, Tokyo 113-8657, Japan

Diterima tanggal 29 April 2004, Diterima Revisi Tanggal 5 Oktober 2004, Disahkan tanggal 8 Oktober 2004

Abstrak

Kami meneliti bagaimana proyeksi peningkatan CO2 di atmosfer dan bersamaan pergeseran suhu udara dan curah hujan mempengaruhi air dan naik turunnya jumlah karbon di hutan hujan tropis Asia, menggunakan kombinasi pengukuran lapangan, disederhanakan hidrologi dan karbon model, dan Model Iklim Global (GCM) proyeksi.

Model menghubungkan fluktuasi fotosintesis kanopy dengan transpirasi melalui kanopi konduktansi massal dan model semi-empiris konsentrasi CO2, dengan tingkat transpirasi ditentukan dari model keseimbangan hidrologi. Sangat memaksa model hidrologi adalah statistik dan memproyeksikan curah hujan saat ini.

Sebuah hal baru utama dalam analisis ini adalah bahwa pengaruh meningkatnya suhu udara pada defisit uap tekanan (D) dan efek dari pergeseran dalam statistik curah hujan pada radiasi bersih secara eksplisit dipertimbangkan. Model ini divalidasi terhadap pengukuran lapangan yang dilakukan di hutan hujan tropis di Sarawak, Malaysia di bawah kondisi iklim saat ini. Atas dasar model ini dan diproyeksikan pergeseran dalam statistik iklim oleh GCM, kita menghitung distribusi probabilitas kelembaban tanah dan fluktuasi hidrologi lainnya. Terlepas dari proyeksi dan dihitung pergeseran kelembaban tanah, radiasi dan rata-rata suhu udara, transpirasi tidak diubah.

Meskipun terjadi peningkatan konsentrasi CO2 di atmosfer (Ca) dan transpirasi tidak berubah, fotosintesis di kanopi tidak meningkat secara signifikan jika Ci / Ca diasumsikan independen konstan D (di mana Ci adalah kanopi massal antar konsentrasi CO2). Namun, fotosintesis meningkat dengan faktor 1,5 jika Ci / Ca menurun secara linear dengan D berasal dari Stomata Leuning formulasi konduktansi [R. Leuning. Plant Cell Lingkungan 1995; 18: 339-55]. Bagaimana peningkatan CO2 di atmosfer mengubah hubungan antara Ci / Ca dan D perlu untuk diteliti lebih lanjut di bawah CO2 di atmosfer meningkat mengingat dampaknya pada fotosintesis (dan penyerap karbon bersamaan) proyeksi.

Tempat Studi dan Pengukuran

Ulasan dan deskripsi tentang pengukuran aliran karbon dan siklus hidrologi akan disediakan untuk kelengkapan data.

2.1. Deskripsi Tempat

Percobaan dilakukan di hutan alam di Taman Nasional Bukit Lambir (4º12’0”LU, 114º02’0”BT), 30 km sebelah selatan dari Miri City, Sarawak, Malaysia. 4 ha plot percobaan pada ketinggian 200 m dan di lereng (< 5) digunakan dalam proyek ini. Kanopi dengan 80-m-tingginya dibangun di pusat plot ini untuk menyediakan akses ke tajuk bagian atas. Bagian observasi dengan tinggi 59,0 m dikhususkan untuk pengukuran aliran karbon. Ketinggian kanopi disekitar crane adalah sekitar 40 m namun emergency canopy muncul bisa mencapai 50 m.

Rata-rata curah hujan tahunan di Miri (4º19’0”N, 113º59’0”E), 20 km dari lokasi penelitian, untuk periode 1968-2001 adalah sekitar 2740 mm dengan beberapa musiman variasi. Misalnya, curah hujan rata-rata untuk bulan September-Oktober-November (SON) adalah sekitar 880 mm dan untuk Maret-April-Mei (MAM) adalah sekitar 520 mm. Suhu rata-rata tahunan adalah sekitar 27ºC dengan sedikit variasi musiman.
Hutan hujan di taman ini terdiri dari dua jenis vegetasi asli dan umum untuk seluruh Kalimantan, yaitu, hutan dengan Dipterocarpaceae dan hutan padang rumput tropis.

2.2. Pengukuran Mikrometeorologi dan Kelembapan Tanah

Beberapa instrumen dipasang di bagian atas crane (85,8 m dari Lantai hutan): radiometer surya, radiometer inframerah, dan alat pengukur hujan. Pada menara terpisah yang terletak sekitar 100 m selatan dari crane radiasi gelombang pendek dan gelombang panjang radiasi diukur dengan menggunakan radiometer surya.

Pada subplot untuk pengukuran iklim mikro di kanopi, kita mengambil sampel suhu udara dan kelembaban di ketinggian 41,5 m, 31,5 m, 21,5 m, 11,5 m, 6,5 m, dan 1,5 m menggunakan serangkaian sensor berventilasi dengan data logger dengan interval 10 menit.

Kadar air tanah diukur dalam subplot di 10, 20 dan 50 cm di bawah lantai hutan menggunakan TDR dan tensiometer dengan interval 10 menit.

2.3. Pengukuran Aliran Karbon

Sebuah anemometer sonik tiga dimensi telah dipasang diketinggian 60,2 m, yakni 20 m diatas kanopi. Diukur dengan interval rata-rata 30 menit.

Profil konsentrasi CO2 pengukuran didalam tajuk dilakukan sekitar 70 m dari crane. sampel udara yang diambil pada 1,5 m, 6,5 m, 11,5 m, 21,5 m, 31,5 m, dan 41,5 m di atas permukaan tanah menggunakan alat pompa diafragma dan sistem auto-solenoid-switching,

Tanah ber-CO2 sudah diukur manual pada tahun 2002 menggunakan IRGA. Terdapat variasi kecil dalam suhu tanah pada kedalaman 2 cm selama periode pengukuran (25-28 C) dan ketergantungan respirasi siang hari rata-rata tanah pada suhu yang tidak dapat dilihat. Selain itu, hubungan antara Tanah dan kelembaban tanah tidak signifikan. Dengan demikian, Tanah pada siang hari dianggap konstan 5,73 mmol m² s1.

2.4. Penurunan Transpirasi Kanopi dan Laju Fotosintesis

Tingkat transpirasi kanopi dapat diperoleh ketika kanopi sedang kering. ditentukan dengan mengukur tingkat perubahan konsentrasi CO2 dari kolom udara di dalam kanopi.

Di tempat ini ada pengukuran diatas tanah biomassa (Rag) dikumpulkan, dan kami menggunakan Rag rata-rata harian 1,9 lmol m2 s1 diestimasi dengan menggunakan model fungsional untuk hutan hujan tropis.

Curah hujan, radiasi matahari, dan suhu udara memiliki variasi musiman kecil dimana cenderung terlalu sensitif dengan kondisi kelembaban tanah.

Metodologi

Pemodelan Fluks Karbon

Tingkat kanopi fotosintesis harian A (mol m^2 d^1) dapat diperoleh dari efektivitas penggunaan air (WUE; 1mol 〖CO〗_(2 )mmol H_2O) dan tingkat transpirasi harian (Tr; mm d 1) menggunakan Tanda konvensi untuk fotosintesis adalah bahwa serapan CO2 oleh tanaman positif. Dengan Tr diprediksi menggunakan variabel lingkungan dan diproyeksikan Ca, Pengujian dua model untuk Ci: kondisi (model Norman) terhadap D (model Leuning) dalam.
.
 

Skema kerangka model: (a) masukan, operasi, dan output dari (b) prosedur penentuan faktor iklim dari curah hujan karbon dan siklus air, dan Ci / Ca ditentukan oleh model Leuning .Panah merupakan prosedur untuk memprediksi iklim.

Model Hidrolik

C_i/C_2   1/4 a Dimana RC, a dan b adalah parameter konstan. Artinya, Ci /Ca diasumsikan konstan untuk berbagai lingkungan ,untuk kelengkapan, kita secara singkat mengingat persamaan yang relevan dan asumsikan untuk lereng halus, di mana pergerakan lateral dapat diabaikan, persamaan kontinuitas yang terintegrasi secara vertikal diberikan oleh :
d_s/d_t ¼ P T r I c Q; s adalah kadar air tanah volumetrik rata-rata atas zona akar (mm), t adalah waktu (hari), P adalah curah hujan (Mm d 1), Ic adalah intersepsi (mm d 1) dan Q adalah kerugian kebocoran (mm d 1) dari lapisan tanah. Juga, kita asumsikan bahwa Q termasuk limpasan, dan  bahwa evaporasi tanah tidak signifikan jika dibandingkan dengan total transpirasi fluks.

Model Transpirasi

Pemaksaan variabel utama untuk transpirasi di iklim tropis adalah energi bersih yang tersedia. Oleh karena itu,dingunakan dimodifikasi Priestley dan Taylor ekspresi untuk menghitung setiap hari tingkat transpirasi TRMM dengan rumus :
 di mana a adalah koefisien Priestley-Taylor, D adalah tingkat perubahan tekanan uap air jenuh dengan suhu, L adalah panas laten penguapan air, qw adalah densitas air, c adalah psychrometric konstan , dan R_0 adalah radiasi harian bersih di atas kanopi. J_3 adalah faktor konversi unit

Pemodelan Intersepsi

Hubungan antara harian curah hujan P, throughfall TF dan stemflow SF :

Pemodelan Kerugian Kebocoran

Tingkat kerugian kebocoran (Q) adalah parameter menggunakan Q ¼ K s Hb; Ks adalah jenuh konduktivitas hidrolik dan b parameter dipasang. Parameter Ks dan b diperkirakan dengan menggunakan non-linear kuadrat- regresi antara. Genangan dan infiltrasi perhitungan dibahas saat pengujian model, diukur time series dari faktor iklim (curah hujan, radiasi, suhu, kelembaban dan CO) yang digunakan untuk menggerakkan perhitungan.

Simulasi Curah Hujan

Saat ini dan masa depan faktor iklim time series yang dibangun dengan menggunakan hubungan antara curah hujan dan faktor iklim lainnya dan menunjukkan bahwa estimator terbaik adalah
a ¼ 0:49H þ 0:52 for 0 6 H 6 1:0:

Kondisi Klimatik Sekarang

Siang hari suhu udara rata-rata, T_a^0(C), dan kelembaban relatif, RH, terkait dengan R_0 melalui model linear regresi. Model eksponensial dipaskan dengan terkait untuk R, hubungan atas antara P dan faktor iklim lainnya dan faktor iklim time series dibangun.

Kondisi Klimatik Masa Depan

Sebagai hasilnya, diperoleh tahun 2070-2100 kondisi A, B dan C sebagai kondisi iklim di masa depan. sebelum membahas karbon dan siklus air simulasi masa depan kita mengevaluasi keterampilan prediksi karbon disederhanakan dan air model siklus berikutnya.

Hasil Model

Pertama kita mempelajari tentang model siklus air dan siklus karbon , lalu mempelajari tentang penggunaan peningkatan karbon dan air di udara. Pada percobaan model kali ini, factor klimatik digunakan sebagai pendorong terjadinya proses.

Rerata kanopi fotosintesis didapat dari rerata penggunaan air dan rerata transpirasi per hari. Pada perbandingan antara percobaan T dan A yang dicoba selama 4 bulan didapat hasil bahwa parameter T 4% lebih besar dari parameter A. kerapatan air yang didapat adalah 1337,5 mm dengan 55% yang ter-Evapotranspirasi. Sedang dalam keadaan normal air setebal 1407,1 mm dengan 49% yang ter-Evapotranspirasi.

Kelembapan tanah dipengaruhi oleh curah hujan. Semisal badai dapat membuat tanah menjadi longsor. Evapotranspirasi juga dipengaruhi oleh curah hujan, curah hujan yang tinggi dapat membuat evapotranspirasi berjalan lambat.

Diskusi dan kesimpulan

Dalam studi sebelumnya, pergeseran bagaimana masa depan curah hujan yang dihasilkan dari peningkatan suhu global penampungan air yang terkena dampak dan fluks dalam suatu Asia hutan hujan tropis diperiksa menggunakan kombinasi pengukuran di lapangan, model neraca air disederhanakan, dan proyeksi GCM presipitasi. Pada saat ini studi, kami telah meneliti bagaimana proyeksi peningkatan atmosfer CO2 dan pergeseran bersamaan dalam suhu udara, ditambahkan ke pergeseran curah hujan mempengaruhi fluks air dan fotosintesis dalam sebuah tropis Asia hutan hujan. Kami menggunakan model fluks karbon dikombinasikan dengan Model hidrologi disederhanakan sudah dikembangkan dan diuji untuk wilayah dan GCM ini proyeksi suhu udara untuk mengatasi tujuan studi. Pengukuran lapangan mengizinkan kita untuk menurunkan hubungan kunci untuk kini iklim yang mengikat istilah '' memaksa '' dengan parameter atau variabel negara. Misalnya, lapangan Data yang digunakan untuk memperoleh hubungan antara curah hujan dan variabilitas radiasi bersih, suhu udara dan kelembaban udara, antara transpirasi dan diekstrak kadar air, antara curah hujan dan intersepsi, parameter aliran drainase, dan parameter untuk menggambarkan Ci / Ca.
The Hadley Centre pergeseran diproyeksikan curah hujan untuk wilayah ini di 2070-2100 adalah DJF kering, sedikit perubahan di MAM, JJA basah, dan SON basah dibandingkan dengan iklim di 1968-2001.

Kami berasumsi bahwa pergeseran ini terjadi di salah satu dari dua cara: perubahan mendalam curah hujan atau mengubah frekuensi curah hujan. Pada kenyataannya, kedua frekuensi dan kedalaman cenderung berubah; dengan demikian, dengan menjelajahi para '' anggota akhir '' dan '' menengah '' curah hujan skenario shift, kita dapat mengukur diharapkan perubahan fluks hidrologi dan waduk. Berdasarkan model iklim kelembaban relatif muncul invarian perubahan pemanasan rumah kaca (misalnya,
[1,21,61,69]). invariance ini di kelembaban relatif, ketika dikombinasikan dengan 4? C kenaikan suhu mengarah ke seiring bertambahnya uap air defisit tekanan yang mempengaruhi baik efisiensi penggunaan air, dan, untuk memperpanjang lebih rendah transpirasi untuk situs.

Distribusi probabilitas kelembaban tanah (p (s)) adalah sensitif terhadap penurunan curah hujan, sebagian karena kedalaman yang lebih kecil (tapi lebih sering) curah hujan secara efisien dicegat oleh ekosistem. Di sisi lain tangan, p (s) adalah kuat untuk peningkatan curah hujan karena lebih besar kedalaman (tapi kurang sering) curah hujan Peristiwa meningkatkan terutama drainase. Terlepas dari pergeseran dalam curah hujan (dan karenanya bergeser di kelembaban tanah), radiasi dan suhu rata-rata udara, transpirasi tidak lumayan diubah. Kurangnya kepekaan transpirasi kenaikan defisit tekanan uap (D) adalah karena fakta bahwa hanya hanya D melebihi 1 kPa akan mengurangi stomata konduktansi. Meskipun terjadi peningkatan CO2 di atmosfer konsentrasi dan transpirasi tidak berubah, hasil untuk kanopi fotosintesis sangat tergantung pada bagaimana Ci / Ca akan menanggapi D. Dalam kasus konstan Ci / ca atau bahkan Ci / Ca yang bervariasi dengan kelembaban relatif (RH).

Secara umum, di bawah CO2 tinggi, penyerapan kanopi hutan diperkirakan akan meningkat seperti yang ditunjukkan oleh eksperimen FACE di pinus Amerika Serikat Tenggara hutan (Duke Forest) (misalnya, [47,58]). Di Duke Forest eksperimen FACE dengan ambient 200 ppm CO2, Model sederhana (yaitu, model Norman) sudah cukup untuk mereproduksi peningkatan laju fotosintesis melalui pemodelan yang tepat Ci / Ca [24]. Katul et al. [24] menyarankan bahwa peningkatan konsentrasi CO2 1.55 dan peningkatan dihitung dalam fotosintesis dari model Norman juga 1,55. Perkiraan ini dalam perjanjian dengan pengukuran daun-tingkat fotosintesis peningkatan oleh Ellsworth (1,56; [7]). Itu penting untuk dicatat bahwa eksperimen FACE umumnya dirancang untuk mempertahankan kondisi iklim mikro yang sama untuk ambien dan kondisi CO2 diperkaya; oleh karena itu, perbedaan antara D (atau RH) untuk plot ambien dan diperkaya adalah minimum. Schafer et al. [59] menunjukkan bahwa untuk ini eksperimen FACE Duke Forest, D untuk ambien dan diperkaya plot adalah serupa (lihat misalnya, Gambar mereka. 2). Didalam studi, namun, nilai-nilai kami serapan CO2 diperkirakan menggunakan model Norman bawah saat 300 ppm CO2 tidak banyak berubah jika dibandingkan dengan ambient negara terutama karena rasio Ca / D tidak berubah. Selain itu, nilai-nilai kita serapan CO2 dihitung menggunakan Norman dan model Leuning yang jauh berbeda, karena model Leuning mengambil efek dari D menjadi pertimbangan, sementara model Norman tidak. Sangat menarik untuk dicatat bahwa tidak ada eksperimen FACE saat ini ada yang memperhitungkan kenaikan pertimbangan di D disebabkan oleh peningkatan suhu udara petugas pada proyeksi pertumbuhan CO2.

Meskipun suhu hangat bisa meningkatkan tingkat dari semua proses kimia dan biokimia pada tanaman dan tanah sampai ke titik di mana enzim hancur (Mis, [57]), ketidakpastian interaksi antara CO2 tinggi dan suhu (misalnya, [16]) yang tidak sedikit. Di umum, di bawah CO2 tinggi, perangkat tambahan dari tingkat fotosintesis yang diamati (misalnya, [7]). Namun, dalam Beberapa contoh, peningkatan CO2 di atmosfer telah terbukti menyebabkan down-regulasi tingkat fotosintesis (Mis, [15,55]). bukti awal dari eksperimen FACE di hutan kayu keras Amerika Serikat Southeastern menunjukkan bahwa peningkatan CO2 di atmosfer mengurangi transpirasi tingkat (misalnya, [67]) melalui penurunan stomata konduktansi (misalnya, [36]). Selanjutnya, peningkatan atmosfer CO2 dapat meningkatkan intersepsi dengan meningkatkan LAI (Mis, [34]).

Pada skala waktu yang lebih lama, meningkatkan CO2 di atmosfer dapat menginduksi kapasitas menahan air tanah yang lebih tinggi karena peningkatan kandungan bahan organik tanah yang dihasilkan dari peningkatan produksi serasah (misalnya, [44,59]). Dalam percobaan FACE di Duke Forest, bagaimanapun, adalah menyarankan bahwa LAI, konduktansi stomata, Ci / Ca dan massal kanopi konduktansi adalah, untuk urutan pertama, tidak berubah oleh CO2 tinggi [8,24,51,59]. Dengan demikian, efek dari peningkatan CO2, termasuk pergeseran petugas dalam faktor iklim lainnya, pada berbagai faktor di ekosistem hutan masih tetap tidak menentu. Penelitian lebih lanjut sekarang diperlukan tentang efek CO2 tinggi di hutan hujan Asia Tenggara menggunakan ekosistem luas dan secara teknis adalah eksperimen sulit.

N.B. : Terjemahan dari Bahasa Inggris ke Bahasa Indonesia
Sumber : www.elsevier.com/locate/advwatres

Artikel Terkait

Jurnal Perputaran Siklus Karbon dan Air di Hutan Hujan Tropis Kalimantan dengan Skenario Faktor Iklim Sekarang dan Masa Depan

4/ 5

Oleh Sang Kualita

Sang Kualita 6:55:00 PM Komentar