Dieses Bild zeigt die Temperatur einer Wiese unter dem Einfluss von anhaltender Dürre. Dürre führt zu einer starker Erhitzung der Wiese.

ClimGrassThermo: ClimGrassThermo: Bestandestemperaturdynamik als Zeiger für Produktivität, Phänologie, Wassernutzung und Stress von Grünland im globalen Wandel

Projektleitung

Michael Bahn

Forschungseinrichtung

UIBK

Projektnummer

101599

Projektlaufzeit

15.04.2021 - 30.06.2022

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Allgemeine Projektinformationen

Projektziele

Praxisrelevanz

Berichte

Allgemeine Projektinformationen

Schlagwörter (deutsch)

globale Erwärmung, atmosphärisches CO2, Wetterextreme, Thermografie, Produktivität, Phänologie, Wasserhaushalt, Stress, Grünland

Titel, Abstract, Schlagwörter (englisch)

Titel (englisch)

ClimGrassThermo: canopy temperature dynamics as indicator for productivity, phenology, water use and stress of grassland under global change

Abstract (englisch)

The objective of ClimGrassThermo is to study the individual and combined effects of climate warming, elevated CO2 and summer drought on the canopy surface temperature of managed grassland. To this end two thermal imaging cameras will be installed in an ongoing multifactor field experiment and results will be cross-calibrated using temperature sensors. Data from complementary ongoing research at the site will be used to to analyze the implications of canopy temperature for grassland productivity, phenology, water use and drought- and heat stress, resolving for effects on the species level. ClimGrassThermo will be amongst the first projects using high-resolution thermal imaging for understanding the individual effects and complex interactions of multiple global change factors on a key driver of ecosystem functioning.

Projektziele

Das Projekt ClimGrassThermo hat zum Ziel, die Auswirkungen des globalen Wandels (Klimaerwärmung, erhöhte atmosphärische CO2-Konzentrationen und Sommertrockenheit) auf die Bestandesoberflächentemperatur in einem bewirtschafteten Grünland zu untersuchen, und deren Bedeutung für Produktivität, Phänologie, Wassernutzung und Wasser- bzw. Hitzestress zu analysieren. Dazu sollen am ClimGrass-Versuchstandort in Raumberg-Gumpenstein zwei Thermografiekameras installiert und mit Temperatursensoren überprüft und kalibriert werden, und in der Folge die Bestandestemperaturdynamiken mit hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung erfasst werden. ClimGrassThermo zielt darauf ab, in einem ersten Schritt die thermischen Auswirkungen der einzelnen und kombinierten Faktoren des globalen Wandels in ihrer tageszeitlichen Dynamik zu quantifizieren, und in einem weiteren Schritt die Hypothesen zu testen, dass 1) die Bestandestemperatur ein geeigneter Indikator für Änderungen der Phänologie und der Futterertrags im Zuge von Klimaerwärmung ist, 2) die Bestandestemperatur sich als Indikator für die Auswirkungen von Erwärmung, erhöhtem atmosphärischen CO2 und Dürre auf die Wassernutzung von Grünland eignet, 3) Sommerdürre in Kombination mit Erwärmung das Auftreten von Hitzestress begünstigt, und 4) die Blatttemperatur ein geeigneter Indikator für die Wassernutzungseffizienz und Dürreresistenz von Pflanzenarten ist und eine Prognose der Auswirkung von Dürre auf den Futterertrag ermöglicht. Die zur Überprüfung der Hypothesen erforderlichen Datensätze sollen im Zuge von gezielten Messkampagnen erhoben und durch Datenreihen aus einem laufenden komplementären Forschungsprojekt ergänzt werden.

Praxisrelevanz

Das Projekt würde für die Bereiche Landwirtschaft, Wasserwirtschaft und Umwelt wertvolle Informationen liefern. Bis dato gibt es keine vergleichbaren Untersuchungen zu Auswirkungen kombinierter Faktoren des Klimawandels (Erwärmung, Dürre und Hitzewellen) sowie erhöhter CO2-Konzentrationen auf den Futterertrag, die Phänologie und die Wassernutzung und insbesondere zum Potenzial der Bestandesoberflächentemperatur als Indikator für Anpassungen von Grünland an den Klimawandel einschließlich der Resilienz in Bezug auf Wetterextreme. Die Verknüpfung bildgebender Verfahren mit Prozessstudien zu Produktivität, Phänologie, Wassernutzung und zu Dürre- und Hitzestress ermöglichen darüber hinaus eine Kalibrierung von fernerkundungsbasierten Daten und deren Diagnosepotenzial für Auswirkungen des globalen Wandels auf Grünland, die für die Bereiche Landwirtschaft/ Wasserwirtschaft/ Umwelt von Bedeutung sein können.

Wissenschaftsnetzwerke: Das Projekt würde einen wichtigen Beitrag zur nationalen und internationalen Vernetzung der Forschung leisten, 1) durch eine Vertiefung der langjährige erfolgreichen Forschungskooperationen zwischen HBLFA Raumberg Gumpenstein und der Universität Innsbruck und 2) durch die mögliche Vernetzung mit einem an der ClimGrass-Anlage derzeit laufenden Projekt zur Ökohydrologie von Grünland im globalen Wandel, das vom Antragsteller koordiniert wird und an dem neben der HBLFA Raumberg Gumpenstein zahlreiche nationale (Universität Graz, BOKU) und internationale Forschungseinrichtungen (Universitäten Basel und Freiburg, Forschungszentrum Jülich und Max-Planck-Institut für Biogeochemie Jena) beteiligt sind. In letzterem Projekt wird auch auf eine Stärkung der transdisziplinären Schnittstellen zwischen Wissenschaft und Anwendern aus den Bereichen Landwirtschaft/ Wasserwirtschaft/ Umwelt hingearbeitet.

Berichte

Abschlussbericht , 06.05.2022

Kurzfassung

Das Ziel von ClimGrassThermo war es, die individuellen und kombinierten Auswirkungen von Klimaerwärmung, erhöhtem CO2 und Sommertrockenheit auf die Bestandestemperatur von bewirtschaftetem montanem Grünland zu untersuchen. In einem multifaktoriellen Freilandexperiment (ClimGrass) in Raumberg-Gumpenstein wurden zwei kontinuierlich messende Wärmebildkameras installiert. Zusätzlich wurde eine mobile Kamera eingesetzt, um die wichtigsten Klimaszenarien repliziert untersuchen zu können. Die mit den Wärmebildkameras gemessenen Bestandestemperaturen zeigten eine gute Übereinstimmung mit Temperaturen, die mit Sensoren an der Blattunterseite dominanter Arten gemessen wurden. Die Bestandestemperaturen waren zum Höhepunkt der Dürre im Vergleich zu Kontrollflächen deutlich erhöht und am höchsten, wenn die Dürre unter zukünftigen Klimabedingungen auftrat, d. h. unter Erwärmung in Verbindung mit erhöhtem CO2. Dennoch überstiegen die Temperaturen nie einen Schwellenwert für Hitzestress, was auch durch Messungen der Chlorophyll-Fluoreszenz bestätigt wurde. Gleichzeitig war die stomatäre Leitfähigkeit der untersuchten Arten unter Trockenheit stark reduziert, insbesondere unter zukünftigen Bedingungen, was zu höheren Blatttemperaturen und einer geringeren Bestandesleitfähigkeit führte. Ein signifikanter Rückgang der Bruttoprimärproduktivität unter Dürre, der in einem künftigen Klima am stärksten ausgeprägt war, führte auch zu einer verringerten Wassernutzungseffizienz. Die Kombination aus Erwärmung und erhöhtem CO2 beschleunigte den Frühjahrsaufwuchs und erhöhte den Futterertrag vor allem im Frühjahr, aber auch während des Aufwuchses nach der Dürre. Dadurch wurden die verstärkten Verluste bei der Biomasseproduktion während der Dürre in einem künftigen Klima teilweise ausgeglichen. Aus dieser Studie lässt sich schließen, dass die für dieses montane Grünland getesteten Dürreszenarien im Sommer 2021 selbst bei Erwärmung in Kombination mit erhöhtem CO2 nicht zu kritischem Hitzestress führten. Es bleibt jedoch zu untersuchen, ob extremere Dürreereignisse in Kombination mit Hitzewellen zu kritischen Schwellenwerten für Wasser- und Hitzestress führen und die Resilienz von bewirtschaftetem Grünland verringern könnten. Durch ClimGrassThermo wurde für derartige Folgestudien an der ClimGrass-Anlage eine ausgezeichnete Grundlage geschaffen.

Berichtsdateien

Abschlussbericht - ClimGrassThermo_fv.pdf

Abstract (deutsch)

Das Ziel von ClimGrassThermo war es, die individuellen und kombinierten Auswirkungen von Klimaerwärmung, erhöhtem CO2 und Sommertrockenheit auf die Bestandestemperatur von bewirtschaftetem montanem Grünland zu untersuchen. In einem multifaktoriellen Freilandexperiment (ClimGrass) in Raumberg-Gumpenstein wurden zwei kontinuierlich messende Wärmebildkameras installiert. Zusätzlich wurde eine mobile Kamera eingesetzt, um die wichtigsten Klimaszenarien repliziert untersuchen zu können. Die mit den Wärmebildkameras gemessenen Bestandestemperaturen zeigten eine gute Übereinstimmung mit Temperaturen, die mit Sensoren an der Blattunterseite dominanter Arten gemessen wurden. Die Bestandestemperaturen waren zum Höhepunkt der Dürre im Vergleich zu Kontrollflächen deutlich erhöht und am höchsten, wenn die Dürre unter zukünftigen Klimabedingungen auftrat, d. h. unter Erwärmung in Verbindung mit erhöhtem CO2. Dennoch überstiegen die Temperaturen nie einen Schwellenwert für Hitzestress, was auch durch Messungen der Chlorophyll-Fluoreszenz bestätigt wurde. Gleichzeitig war die stomatäre Leitfähigkeit der untersuchten Arten unter Trockenheit stark reduziert, insbesondere unter zukünftigen Bedingungen, was zu höheren Blatttemperaturen und einer geringeren Bestandesleitfähigkeit führte. Ein signifikanter Rückgang der Bruttoprimärproduktivität unter Dürre, der in einem künftigen Klima am stärksten ausgeprägt war, führte auch zu einer verringerten Wassernutzungseffizienz. Die Kombination aus Erwärmung und erhöhtem CO2 beschleunigte den Frühjahrsaufwuchs und erhöhte den Futterertrag vor allem im Frühjahr, aber auch während des Aufwuchses nach der Dürre. Dadurch wurden die verstärkten Verluste bei der Biomasseproduktion während der Dürre in einem künftigen Klima teilweise ausgeglichen. Aus dieser Studie lässt sich schließen, dass die für dieses montane Grünland getesteten Dürreszenarien im Sommer 2021 selbst bei Erwärmung in Kombination mit erhöhtem CO2 nicht zu kritischem Hitzestress führten. Es bleibt jedoch zu untersuchen, ob extremere Dürreereignisse in Kombination mit Hitzewellen zu kritischen Schwellenwerten für Wasser- und Hitzestress führen und die Resilienz von bewirtschaftetem Grünland verringern könnten. Durch ClimGrassThermo wurde für derartige Folgestudien an der ClimGrass-Anlage eine ausgezeichnete Grundlage geschaffen.

Abstract (englisch)

The objective of ClimGrassThermo was to study the individual and combined effects of climate warming, elevated CO2 and summer drought on the canopy surface temperature of managed montane grassland. Two permanently monitoring thermal infrared cameras were installed in an ongoing multifactor field experiment (ClimGrass) at Raumberg-Gumpenstein. During several campaigns the continuous canopy temperature measurements were complemented and replicated using an additional manually operated camera. Canopy temperatures obtained with the thermal infrared cameras were in a similar range and showed the same dynamics as obtained with leaf temperature sensors. Canopy temperatures were significantly increased during peak drought compared to non-drought conditions, and were highest when drought occurred under future climate conditions, i.e. under warming combined with elevated CO2. Nevertheless, temperatures never exceeded a threshold of heat stress, as also confirmed by measurements of chlorophyll fluorescence on dominant grassland species. At the same time, stomatal conductance of species was strongly reduced under drought, especially under future conditions, which likely contributed to higher leaf temperatures and reduced canopy conductance to water vapor. Significant reductions of gross primary productivity under drought, most pronounced under future conditions, also caused a decline of water use efficiency. The combination of warming and elevated CO2 advanced the onset and growth and enhanced above-ground biomass production especially in spring (first cut), and also during regrowth after drought, which partly compensated for the exacerbated losses of biomass production during drought under such future conditions. In conclusion, while the drought scenarios tested for this montane grassland did not lead to any critical heat stress in the summer of 2021, even under warmer conditions combined with elevated CO2, it remains to be studied whether more extreme drought events, combined with heatwaves, could lead to critical thresholds of water and heat stress and erode the resilience of managed grassland in a future world.

Autor/innen

Michael Bahn und Lisa Capponi