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Authors: Bunk, Rüdiger
Title: Influence of environmental factors on biosphere-atmosphere exchange of carbonyl sulfide (OCS) with special focus on elevated CO2-levels and soils
Online publication date: 26-Oct-2017
Language: english
Abstract: Carbonyl sulfide (OCS) is the most abundant sulfur containing trace gas in the troposphere. It is linked to the carbon and sulfur cycle and, acts as a greenhouse gas in the troposphere and is related to the stratospheric aerosol layer. It is also considered a possible tracer for CO2 in Gross primary productivity (GPP), because there is a close link between the uptake of OCS and exchange of CO2 between plants and atmosphere. Both soils and plants play an important role in the budget of OCS. Therefore, any estimation of GPP based on the OCS exchange must take into account the contribution of the exchange with the corresponding soil. Many environmental factors influence soil-atmosphere or plant-atmosphere OCS exchange. In this work the influence of the ambient CO2 and OCS mixing ratio, soil moisture and antimicrobial agents on this exchange has been examined. The OCS exchange of four arable soils was examined at elevated CO2 mixing ratios (soil pore concentrations) at varying soil moisture. These arable soils showed a tendency towards OCS emission at low and high soil moisture and towards OCS uptake at medium soil moisture. With increasing CO2 mixing ratio, three soils showed an increase of OCS emission at high and low soil moisture and a reduction of OCS uptake at medium soil moisture. One organically fertilized soil showed an increase in OCS uptake at medium soil moisture with increasing CO2 mixing ratio instead. Treatment with chloroform vapor yielded ambivalent results but demonstrated the involvement of biotic processes in soil-atmosphere OCS exchange for those soils. Application of Nystatin and Streptomycin solutions to one arable soil and one rainforest soil demonstrated that fungi possibly dominated OCS uptake in those soils. In another set of experiments OCS exchange of three forest soils and one arable soil at high and low OCS mixing ratio at varying soil moistures was measured. Based on these measurements OCS production (POCS) and consumption (UOCS) at 1000 ppt OCS mixing ratio were determined. Their compensation points were found to vary with soil moisture but generally indicated that needle forest soils mainly act as sinks. Compensation point variations calculated based on these process studies were in good agreement with single values as found in the literature. Furthermore, the OCS exchange measured with one forest soil sample (soil from the SMEAR II station in Hyytiälä, Finland) agreed very well with field data from the same site as published recently by other researchers. OCS uptake of plants at elevated CO2 mixing ratios was examined in a third set of experiments. OCS uptake declined with increasing CO2 mixing ratios. Calculations of stomatal conductance based on the water vapor released by the examined plants demonstrate that the reduction of OCS uptake at higher OCS concentration is mediated by stomatal aperture. This control over OCS uptake by stomatal conductance is in good agreement with literature. An experiment with a toxin causing a stomatal opening further confirmed that mechanism.
Carbonylsulfid (OCS) ist das häufigste schwefelhaltige Spurengas in der Troposphäre. Es ist Bestandteil des Schwefel- und Kohlenstoffkreislaufs, agiert als Treibhausgas in der Troposphäre und trägt zur stratosphärischen Aerosolschicht bei. Es wird außerdem als möglicher Tracer für CO2 in Betrachtungen zur Bruttoprimärproduktion (Gross Primary Production, GPP) diskutiert, weil eine enge Verbindung zwischen OCS Aufnahme und CO2 Austausch durch Pflanzen besteht. Sowohl Pflanzen als auch Böden spielen eine wichtige Rolle im OCS Budget. Deshalb kann man eine GPP-Abschätzung nicht anstellen, ohne die Rolle der jeweiligen Böden in die Berechnung mit einzubeziehen. Eine Vielzahl von Umweltfaktoren beeinflussen den OCS Austausch sowohl zwischen Pflanzen und Atmosphäre als auch Böden und Atmosphäre. In dieser Arbeit wird der Einfluss des atmosphärischen Mischungsverhältnisses von CO2 und OCS, der Bodenfeuchte und der Einfluss von antimikrobiellen Agentien auf diesen Austausch untersucht. Der OCS Austausch von vier landwirtschaftlichen Böden wurde bei verschiedenen Bodenfeuchten und unter erhöhtem CO2 Mischungsverhältnis untersucht. Diese Böden zeigten eine Tendenz zur OCS Emission bei hohen und niedrigen Bodenfeuchten und eine Tendenz zur OCS Aufnahme bei mittleren Bodenfeuchten. Mit zunehmendem CO2 Mischungsverhältnis zeigten drei der Böden eine Zunahme der OCS Emission bei hoher und niedriger Bodenfeuchte und eine Abnahme der OCS Aufnahme bei mittlerer Bodenfeuchte. Ein mit Kompost gedüngter Boden zeigte stattdessen zunehmende OCS Aufnahme mit steigendem CO2 Mischungsverhältnis bei mittlerer Bodenfeuchte. Eine Behandlung mit Chloroform erbrachte uneindeutige Resultate, demonstrierte jedoch die Beteiligung biotischer Prozesse am OCS Austausch dieser Böden. Der Einsatz von Nystatin und Streptomycin Lösungen bei einem landwirtschaftlichen Boden und einem Regenwaldboden zeigte, dass in diesen beiden Böden Pilze möglicherweise die dominanten OCS Konsumenten sind. In weiteren Experimenten wurde der OCS Austausch von drei Waldböden und einem landwirtschaftlichen Boden unter hohem und niedrigem OCS Mischungsverhältnis bei verschiedenen Bodenfeuchten gemessen. Auf diesen Messungen basierend wurden die OCS Produktion (POCS) und Aufnahme (UOCS) bei 1000 ppt OCS Mischungsverhältnis. Der OCS Kompensationspunkt variiert in Abhängigkeit von der Bodenfeuchte und weist generell auf die Funktion von Nadelwaldböden als OCS – Senke hin. Die Variation des Verlaufes der Kompensationspunkte erklärt sehr gut die Lage von Einzelmessungen früherer Arbeiten. Besonders betont werden soll, dass der OCS Austausch einer Bodenprobe (Nadelwaldboden bei der SMEAR II Station in Hyytiälä, Finnland) zeigte eine sehr gute Übereinstimmung mit Feldmessungen die kürzlich von einer anderen Forschungsgruppe publiziert wurden. Die OCS Aufnahme von Pflanzen unter erhöhten CO2 Mischungsverhältnissen wurde in einem dritten Satz von Experimenten bestimmt. Die Aufnahme von OCS nahm mit steigendem CO2 Mischungsverhältnis ab. Berechnungen der stomatären Leitfähigkeit basierend auf dem von den Pflanzen abgegebenem Wasserdampf zeigten, dass diese Abnahme der OCS Aufnahme durch Reduktion der Öffnungsweite der Stomata bedingt ist. Ein Versuch mit einem Pilztoxin, das ein Öffnen der Stomata bewirkt, bestätigte diesen Zusammenhang zusätzlich.
DDC: 570 Biowissenschaften
570 Life sciences
Institution: Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department: MaxPlanck GraduateCenter
Place: Mainz
ROR: https://ror.org/023b0x485
DOI: http://doi.org/10.25358/openscience-1354
URN: urn:nbn:de:hebis:77-diss-1000016280
Version: Original work
Publication type: Dissertation
License: In Copyright
Information on rights of use: https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent: XI, 98 Seiten
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