Modelling the impact of air pollution on the terrestrial carbon and nitrogen cycling

Ozon (${O_3}$) ist ein Luftschadstoff, welcher die Blätter von Pflanzen schädigen und deren Bruttoprimärproduktion (GPP) senken kann. In verschmutzten Regionen haben sich die Ozonkonzentrationen in der Troposphäre seit der Vorindustriellenzeit bis zum Ende des 20. Jahrhunderts vervielfacht, begleitet von einem Anstieg in Vorläuferstoffen wie Stickoxide. Reaktive Stickstoffverbindungen, wie zum Beispiel Stickoxide (${NO_x}$), sind ein begrenzter Pflanzennährstoff. Es wird angenommen, dass deren Verfügbarkeit die GPP in weiten Teilen der Welt begrenzt. Ein Teil des in die Atmosphäre eingebrachten ${NO_x}$ wird zurück auf das Land abgeschieden, wo es das Pflanzenwachstum stimulieren kann. ... mehrObwohl ${NO_x}$ Vorläuferstoffe für ${O_3}$ darstellen, haben sich bisherige Studien auf den wachstumsstimulierenden Effekt von Stickstoffabscheidung konzentriert ohne gleichzeitig den schädlichen Einfluss von ${O_3}$ zu beachten.

Zur Schätzung der Kapazität der terrestrischen Biosphäre als Kohlenstoffsenke, könnte eine realistische Abschätzung der Einflüsse von Ozon auf die GPP eine wichtige Rolle spielen. Die gemeinsame Implementierung der wachstumsstimulierenden Effekte der Abscheidung von reaktiven Stickstoffverbindungen und der schädlichen Effekte von Ozon auf Pflanzenwachstum und Kohlenstoffspeicherung könnte eine realistischere Abschätzung vergangener und zukünftiger terrestrischer Kohlenstoffspeicherung ermöglichen.

Um den Einfluss von Ozon auf den terrestrischen Kohlenstoffkreislauf besser zu verstehen, wurde ein Ozonabscheidungsschema in das Biosphärenmodell O-CN eingebaut, welches Ozonaufnahme und -pflanzenschaden schätzt. Ein Vergleich mit veröffentlichten Werten zeigt, dass dieses neue Modul realistische Werte für Schlüsselwerte der Ozonabscheidung produziert. Die Verwendung eines detaillierten Schemas welches bei der Berechnung der bodennahen Ozonkonzentration die Abscheidung von Ozon in die Spaltöffnungen der Blätter und außerhalb dieser berücksichtigt, hat einen substantiellen Einfluss auf die pflanzliche Ozonaufnahme in O-CN. Die Anwendung des aktualisierten Modells im Rahmen einer europaweiten Simulation von gegenwärtigen Ozonschäden auf GPP und Transpiration deutet an, dass der regionale Kohlenstoff- und Wasserkreislauf geringer beeinflusst wird als auf Grund von bereits publizierten Studien zu erwarten wäre. Verschiedene Modelle und Modellversionen unterscheiden sich jedoch erheblich in ihren Abschätzungen des durch Ozon verursachten Schadens von GPP. Ein möglicher Grund dafür ist die Verwendung verschiedener Schadensfunktionen, welche die Ozonaufnahme in Relation setzten zu Pflanzenschaden.

Die Auswirkung verschiedener Schadensfunktionen auf die Schwankung der geschätzten Ozoneffekte wird untersucht in dem vier bereits veröffentlichte Schadensfunktionen in ein standardisiertes Modelliergerüst eingebaut werden, das O-CN Modell. Verschiedene Modellversionen werden untersucht hinsichtlich ihrer Fähigkeit die beobachteten Gesamtbiomassereaktionen in 23 Ozon-Filtrierungs-Begasungsexperimenten mit jungen Bäumen europäischer Baumarten an zehn Orten quer durch Europa zu simulieren.
Die Ergebnisse zeigen, dass keine vorab veröffentlichte Schadensfunktion zu einer Gesamtbiomassereaktionen führt, welche vereinbar ist mit den beobachteten Zusammenhängen in den Experimenten. Anstatt dessen wird eine erhebliche Überschätzung oder Unterschätzung der Ozoneffekte simuliert. Durch eine Reparameterisierung dieser Schadensfunktionen habe ich lineare, pflanzentypspezifische Schadenszusammenhänge entwickelt, welche eine akkurate Simulation der beobachteten Gesamtbiomassereaktionen in den 23 Experimenten ermöglicht.

Das aktualisierte Modell, welches das Ozonabscheidungsschema und zwei reparameterisierte Schadensfunktionen enthält, wurde genutzt um vergangene und zukünftige Einflüsse von Luftverschmutzung, durch Ozon und Stickstoffabscheidung, auf die terrestrische Kohlenstoffaufnahme und -speicherung in temperaten und borealen Regionen der Nordhalbkugel zu simulieren. In einem faktoriellem Versuchsplan werden zwei zukünftige Szenarien der Luftverschmutzung simuliert um den Einfluss gegenwärtigen und zukünftigen Änderungen in Stickstoffabscheidung und ${O_3}$ Konzentrationen zu untersuchen bei einem gleichzeitigem Wandel des Klimas und der Kohlendioxid (${CO_2}$) Konzentrationen. Diese Simulationen werden jeweils für das optimistischste und pessimistischste Repräsentative Konzentrationspfad-Szenario (RCP2.6 und RCP8.8) durchgeführt.

Die Simulationsergebnisse zeigen, dass in der Vergangenheit Ozonschäden die mittlere regionale Kohlenstoffaufnahme (GPP) und -speicherung (Gesamtkohlenstoffbiomasse) in der simulierten Region deutlich reduziert haben. Die maximale Reduktion tritt um das Ende des 20. Jahrhunderts herum auf und beträgt ungefähr 4% für GPP und 9% für Gesamtkohlenstoffbiomasse. Die durch den ${CO_2}$ Düngeeffekt reduzierte Spaltöffnungsbewegung von Pflanzen begrenzt die Aufnhame von Ozonspitzenwerten und verursacht eine Reduktion von Ozonschäden während des 21. Jahrhunderts. Für beide Verschmutzungszenarien werden am Ende des 21. Jahrhunderts im regionalen Mittel Reduktionen von 0-1% für GPP 4-5% für Gesamtbiomasse simuliert im Vergleich zu vorindustriellen Werten. In Schadensbrennpunkten werden am Ende des 21. Jahrhunderts Reduktionen von mehr als 8% für GPP (Ostasien) und bis zu 15% für Gesamtkohlenstoffbiomasse (in Teilen von Europa, dem Osten und Westen der USA und Ostasien) simuliert.

Ein Vergleich der Auswirkung von Luftverschmutzung durch Ozon zu dem von Stickstoffabscheidung zeigte, dass Ozonschäden den wachstumsstimulierenden Effekt von Stickstoffabscheidung während eines Großteils des simulierten Zeitraums ausgleicht. Die schädliche Wirkung von Ozon wiegt den stimulierenden Einfluss von Stickstoffabscheidung auf GPP bis zur ersten Hälfte des 21. Jahrhunderts auf. Danach beginnt die stimulierende Wirkung von Stickstoffabscheidung auf GPP zu dominieren. Die schädliche Wirkung von Ozon auf die Gesamtkohlenstoffbiomasse überwiegt dem stimulierenden Effekt von Stickstoffabscheidung währende des gesamten Simulationszeitraums.

Zusammenfassend ist zu sagen, dass die Implementierung eines relativ detaillierten Ozonabscheidungsschemas die Schätzung der Ozonaufnahme in O-CN deutlich beeinflusst und somit potentiell auch Schadensschätzungen. Die Verwendung von evaluierten Schadensfunktionen in Modellen kann helfen eine erhebliche Über- oder Unterschätzungen des Schadens zu verhindern. Die Anwendung des aktualisierten Modells zeigt, dass Ozonschäden den Anstieg von Kohlenstoffaufnahme und -speicherung in der Vergangenheit deutlich reduziert haben. Hier präsentierte Schätzungen von gegenwärtigen und zukünftigen Ozonschäden sind geringer als auf Grund vorheriger Studien zu erwarten wäre. Der Einbezug des stimulierenden Effekts von Stickstoffabscheidung in die Schätzung von Kohlenstoffaufnahme und -speicherung ohne die schädlichen Einflüsse von Ozon zu beachten kann zu einer Überschätzung dieser führen.

Ozone (${O_3}$) is a toxic air pollutant that can injure plant leaves and substantially affect plant growth and health. Tropospheric ${O_3}$ concentrations multiplied from pre-industrial values until the end of the 20th century in polluted areas, accompanied by an increase of ${O_3}$ precursors like nitrogen oxides (${NO_x}$). Reactive forms of nitrogen like ${NO_x}$ are a limited nutrient for plants and are assumed to constrain net primary production in large parts of the world. Part of the ${NO_x}$ in the atmosphere is deposited back on land and stimulates plant growth in nutrient limited regions. ... mehrDespite the role of ${NO_x}$ as a ozone precursor, previous studies focused on the growth stimulating effect of nitrogen deposition and omitted the detrimental effects of ozone.

To assess the past and future capacity of the terrestrial biosphere as a carbon sink, a realistic estimate of the effects of tropospheric ${O_3}$ on gross primary production (GPP) might be important. The combined implementation of the growth stimulating effect of nitrogen deposition and the detrimental effects of ${O_3}$ on plant growth and carbon storage might yield a more realistic estimate of past and future terrestrial carbon uptake.

To better understand the impact of ozone damage on the terrestrial carbon cycle, a module to estimate ${O_3}$ uptake and damage of plants was developed for O-CN, a state-of-the-art global terrestrial biosphere model. A comparison to literature values demonstrates that the new model version produces realistic key characteristics of ozone deposition. The use of this comparatively detailed ozone deposition scheme, which accounts for non-stomatal as well as stomatal deposition when calculating surface ${O_3}$ concentrations, substantially affects plant ${O_3}$ uptake in O-CN. The application of the updated model in a Europe-wide simulation of present day ozone damage to GPP and transpiration indicates that the regional carbon and water cycling is less impacted than expected from previous studies. Previously published simulated ozone induced reductions on GPP vary substantially between models and model versions. A possible reason for this is the use of different injury functions which relate ozone uptake to plant damage.

The role that different injury functions play in determining the variability of the estimated ozone impacts was investigated by including four previously published injury functions into a standardised modelling framework, the O-CN model. Model versions including different injury functions are evaluated in terms of their ability to simulated whole-tree biomass responses observed in 23 ozone filtration/fumigation experiments conducted with young trees from European tree species at sites across Europe with a range of climatic conditions. The results show that none of these previously published injury functions lead to simulated whole-tree biomass reductions in agreement with the observed dose–response relationships derived from these field experiments and instead lead to significant over- or underestimations of the ozone effect. By re-parameterising these injury functions, I developed linear, plant-functional-type-specific dose–response relationships, which provide accurate simulations of the observed whole-tree biomass response across these 23 experiments.

The updated model including the ozone deposition scheme and two re-parameterised injury functions was applied to simulate past and future impacts of air pollution (ozone and nitrogen deposition) on the terrestrial carbon uptake and storage in the temperate and boreal Northern Hemisphere. Two scenarios of future air pollution are simulated in a factorial design to understand the effect of present and future changes in nitrogen deposition, and ${O_3}$ concentrations against a background of changes in climate and carbon dioxide concentrations (${CO_2}$) for the most optimistic and most pessimistic representative concentration pathway scenario (RCP2.6 and RCP8.5 respectively). The simulations showed that ${O_3}$ damage considerably reduced northern hemispheric gross carbon uptake (GPP) and long-term carbon storage in the past. The ozone effect on GPP and total carbon storage peaked around the end of the 20th century with reductions of 4% and 9%, respectively. The ${CO_2}$ fertilisation effect and its impact on stomatal conductance restricts peak values of ozone uptake during the the 21st century and cause a decline in ozone induced damage. By the end of the 21st century mean regional reductions of 0-1\% for GPP and 4-5% for total carbon biomass are simulated for both RCPs compared to pre-industrial values. However, in hotspot regions like Eastern Asia a sustained decline in GPP of more than 8% is simulated at the end of the 21st century and carbon storage remains reduced by up to 15% in parts of Europe, the US and Eastern Asia.

The comparison of the effect of air pollution from ${O_3}$ to that of nitrogen deposition showed that ozone damage offsets the growth stimulating effect induced by nitrogen deposition during a large fraction of the simulation period. The detrimental effect of ${O_3}$ on GPP outweighs the stimulating effect of nitrogen deposition until the first half of the 21st century, after which nitrogen deposition starts to outweigh the effects of ${O_3}$. The detrimental effect of ${O_3}$ on carbon biomass outweighs the stimulating effect of nitrogen deposition during the entire simulation period.

In conclusion, the implementation of a relative detailed ozone deposition scheme considerably impacts the estimates of ozone uptake in then O-CN model and thus has the potential to strongly impact ozone induced damage estimates. The use of evaluated ozone injury functions in models can help to prevent considerable over- or underestimations of damage. The application of the updated model indicates that ${O_3}$ damage considerably slowed the increase of carbon uptake and storage in the past. However, past and future estimates of ozone induced damage are lower than expected from previous studies. Accounting for the stimulating effects of nitrogen deposition but omitting the detrimental effect of ${O_3}$ might lead to an over estimation of carbon uptake and storage.