4404138.pdf [Levina Tatyana Borisovna]

Atmospheric

CO

2

D

Autotrophic respiration

,

,

•

Maintenance

L~~.~~~..

.J

en

en

.Q

Q)

C'l

.~

:E

"'C

Q;

Q)

>

0

0

::l

"'C

C

c

2

'J;

Q)

en

::l

~

en

Ci5

en

i=

D 1

1

Litter Pool

.-'"

----- ---

......

---- ... --

......

: Photosynthesis

:

1_

_

_

_

2

1

I

":

L.~~~..l

.....................

..

....L~.~~.J

,-

-----

...

--

--

...

----

......

'"

+-:

Recruitment

:

1_

_

_

.!

Figure 4-1: A conceptual

diagranl

of carbon fluxes simulated

by the l1l0del and an

outline

of the processes

involved.

The three major

carbon

pools are leaves, fine

roots,

and sapwood

(woody species).

Boxes outlined

with dashed

lines illustrate

processes that affect the carbon balance.

The dotted-line

boxes represent intermediate

quantities,

whose Inagnitude

iInpacts the occurrence

of processes that

are assluned

to follow. The solid-line arrows show carbon fluxes, while dotted-line

arrows depict

an intermediate

partition

of carbon fluxes, which depends on the outconle of carbon

balance

at the preceding

stage.

The filled downward

arrow depicts

carbon

uptake

from

CO

2,

while the filled upward arrows show carbon loss by vegetation.

ing to the fluxes froln sapwood and fine root carbon pools. The SUIn of all respiration

fluxes (i.e., for canopy, sapwood, and fine roots) constitutes

the Inaintenance

respira-

tion, which refers to the

CO

2

emission from plants as the result of protein repair and

replacement

and the respiratory

processes that provide energy for the Inaintenance

of ion gradients across cell Inenlbranes

(Penning De Vries, 1975).

If

the difference be-

tween G

P P

and maintenance

respiration

is positive, growth respiration

is estilnated

as a constant

fraction of that difference.

The growth respiration

represents

the con-

struction

cost (i.e., expended metabolic

energy) for new tissue synthesis from mineral

and glucose (the product

of clark reactions

of photosynthesis).

227

West Side

A"':'~~'~::;:~~!~{

I;

.~

;1

~

~?

D

Sevilleta

boundary

•

Fertilizer study sites

IA

Weather

stations

/1'\,/

Sevilleta

roads

5

,

East Side

o

5 Kilometers

Figure 4-7: Map of the Sevilleta National Wildlife Refuge, illustrating

the location of

weather stations

and fertilization

study sites.

into the direct beam and diffuse components

using the same fractional

conlposition

as the measured radiation

at the station in Albuquerque;

3) to further partition

the

direct beam and diffuse radiation

fluxes into the VIS and NIR bands, the calibrated

radiative

transfer model of Section 2.3 was utilized to obtain the corresponding

frac-

tional composition,

which was then used for the observed

data.

In addition

to the

above procedure,

when a period of missing data was encountered

for Station

40, the

gap was filled with the data corresponding

to a nearest station in Sevilleta containing

non- void data.

Inspection of digital elevation data for the area of lVlcKenzie Flats site reveals that

its topography

can be characterized

as flat surface situated

in a non-convergent

terrain

location.

Therefore, vegetation-hydrology

dynamics can be assulned one-dimensional

with negligible lateral effects such as radiative shading or mass transfer from adjacent

areas. A single flat element is used for simulations

and mass fluxes are restricted

to

be in the vertical direction only.

Since no data are available on the hydraulic

properties

of Turney Loamy Sand

soil, the soil type typical for the area of study, a generic loamy sand soil type (Rawls

261

25

a.) Observed

daily rainfall for Sevilleta

Range (St. 40), 1988-1992

20

..

i;'

15

'0

E 10

oS

5

1989

1990

1991

1992

1993

1993

1993

1992

1991

1990

b.)

Mean daily moisture

contents

Nt

1989

1990

1991

c.) Mean daily Leaf Area Index (LAI)

1989

0.8

0.6

:I:

0.4

0.2

0

1988

~

1

N

I

oS

o

1988

:c

3

c:

::2

o

N~

2

I

E

c.) Mean daily vegetation

fraction

0.8

......0.6

...!...

0.4

0.2

o

1988

1989

1990

1991

1992

1993

Year

Figure 4-8: The tinle-series of a.) the total daily observed precipitation

and the simu-

lated time-series of the Inean daily b.) relative soil moisture contents and transpiration

factor

f3T,

c.) leaf-area index

(LAI),

and d.) vegetation

fraction for NlcKenzie Flats

site in the Sevilleta National \tVildlife Refuge. The considered period is 1988-1992.

264

a.) Mean daily moisture contents

0.4

0.2

1989

1990

1991

1992

1993

3

b.) Daily transpiration flux

......

I

~

2

'0

E

£1

o

1988

1989

1990

1991

1992

1993

3

.

c.) Daily soil evaporation flux

......

I

~

2

'0

E

£1

1989

1990

1991

1992

1993

d.) Daily drainage / capillary rise from/to the root zone

6

o

1988

1989

1990

Year

1991

1992

1993

Figure 4-9: The time-series

of the mean daily a.)

relative

soil moisture

contents

and total daily b.) transpiration

c.) soil evaporation,

and d.) drainage

/ capillary

rise from / to the grass root zone sin1l1lated for McKenzie Flats site in the Sevilleta

National Wildlife Refuge. The flux rates are provided as the element scale quantities.

The considered period is 1988-1992.

265

20

'i

-

Foliage assimilation

~

15

-

NPP

'0

tL

10

Il.

~

5

E

u

0

~

a.) Daily gross foliage photosynthesis and NPP

1988

1993

1993

1992

1992

1990

1991

b.) Daily respiration fluxes

1990

1991

b.) Daily foliage loss and turnover rates

1989

-

Growth

-

Foliage

. -.

Fine Root

6

'i

~

0.3

'0

tL

Il.

0.2

N

I

E

ON

0.1

U

(5

g

0

1988

1993

1992

1991

1990

1989

o

1988

'i

-

Foliage

~

. -.

Fine Root

t

4

,

.

Il.

Year

Figure 4-10:

The time-series

of the total

daily CO

2

and carbon

fluxes simulated

for wlcKenzie Flats site in the Sevilleta National

Wildlife Refuge:

a.) gross foliage

assiluilation

and Net Prinlary

Productivity

(NPP);

b.)

respiration

fluxes; and c.)

turnover

and foliage loss. The flux rates are provided as the vegetated

fraction scale

quantities

(PFT scale). The considered

period is 1988-1992.

266

1993

1992

1991

a.) Mean daily moisture contents and transpiration factor

~r

0.8

0.6

I

0.4

1993

1992

1991

1990

1989

b.) Mean daily carbon content of canopy and fine root biomass

-

Foliage - Simulated

. -.

Fine Root - Simulated

•

Foliage - Observed

............

1.\.

I

\

:

.\.

-:

.

o

1988

50

200

........

150

N

,

E

() 100

~

Year

Figure 4-11: The time-series

of a.) the simulated

mean daily relative

soil 1110isture

contents

and transpiration

factor (3T and b.) sirnulated

and observed above ground

carbon content

in grass biolnass

(note that

a factor of 0.5 was applied to the data

values in Table 4.3 to convert

the measured

dry biomass

to approxilnate

carbon

contents)

for McKenzie

Flats

site in the Sevilleta

National

Wildlife

Refuge.

The

density

is provided

as the element scale quantity.

The considered

period

is 1988-

1992.

267

Figure

5-2:

Diffusion

erosion

dOlni-

nated landscape ("CX" domain) exhibiting

longer hillslopes

and lower drainage

den-

sity.

5.2.1

Terrain representation

Figure

5-3:

Fluvial

erOSIon dOlninated

landscape

("CV"

dOlnain)

exhibiting

shorter

hillslopes

and

higher

drainage

density.

The topographies

of the two synthetic donlains used in this study were obtained using

CHILD (the Channel-Hillslope

Integrated Landscape Development)

landscape

evolu-

tion model (Tucker et al., 2001). The following is a brief outline of the corresponding

simulation methodology.

Nlore details on the utilized approach can be found in Tucker

and Bras (2000).

For both topographies,

the initial dOlnain represents

a flat rectangular

surface,

which is subsequently

seeded with random perturbations

in elevation.

An outlet of the

domain is placed in the lower left (south-west)

corner and has an elevation that is kept

fixed throughout

the sinlulation.

A given landscape

is uplifted at a rate of 2.5 . 10-

5

m yr-

l

,

which represents

a conservative

value for fluvial landscapes.

Each of the

landscapes

evolves under the action of two major erosion processes:

slope dependent

soil creep and runoff erosion.

Soil creep is often observed in the absence of erosive

runoff due to various soil disturbances

such as freeze-thaw,

rain-splash,

bioturbation

due to growth and death of vegetation,

tree-throw,

and soil animal activities.

The

process of soil creep is usually

represented

by a linear sediment

transport

model

271

a.) Diffusion

b.) Fluvial

N

Topography contours

Contributing area lkm"'2]

0.001478 - 0.08365

0.08365 - 0.3216

•

0.3216 - 0.7868

•

0.7868 - 1.872

•

1.872 - 3.845

Shortwave irradiance [MJ

I

m"'2 year]

LJ

3290 - 5274

r--1

5274 - 6134

D

6134-6697

ell

6697 - 7109

_7109-7400

_

7400 -7683

_7683-7886

_

7886 - 8124

200

0

200 Meters

1"""""1

Figure 5-5: Spatial distribution

of the 50-year Dlean annual global shortwave ir-

radiance

for the a.)

ex

dOlllain and b.)

ev

domain.

Note that

the units of

[1\1J

m-

2

year-I]

can be converted to

[NIWh

m-2 year-I]

by dividing the corre-

sponding irradiance values by 3600.

276

a.) Irradiance

on slopes of different

aspect

...

~

8000

":'

... ,

~ .

J"

l' :

I~

7000 ~,.:.. .~.

~r.-".~~

-.~

'-'1-..

N

..

I

..

E 6000

..

" ....

, ....

: .....

: .....

""')

..

~

~ SOOO

C

III

:s

~ 4000

3000

0.464

1.S7

2.68

3.6

4.71

S.82

North

East

South South

West

North

Aspect [rad from North]

0.8

0.7

......0.6

'C

~O.S

8.0.4

o

en

0.3

0.2

"."

'.,

.

0.:

i

'0 .

'FI~t'ele~e~t

r

3000

4000

SOOO

6000

7000

8000

Irradiance [MJ m-

2

year-

1

]

Figure 5-6: Simulated

50-year mean annual site shortwave

irradiance

relative to a.)

six cardinal aspects and b.) site slope magnitude

(the left-most curve corresponds

to

N-N-E and N-N- W aspects, the curve in the middle corresponds

to E- W aspects, and

the right-most

curve is for S-S- E and S-S- W aspects).

The lighter color denotes data

points for the

ev

domain and the darker color corresponds

to the data points for the

ex

domain.

Fraction of direct beam radiation (annual)

PAR fraction of annual irradiance

0.8

.

.

.~ ~~~~~~~Jj~'~

.

0.4

0.6

Slope [rad]

0.2

.

,

'

..................................

.

.

.

0.48

0.47S

o

S

0.49S'

~

~

0.49

a:

c:(

D..

0.485

0.50S

0.5

.

0.8

0.4

0.6

Slope [rad]

0.2

0.55

o

(a) Fraction of direct beam radiation

(b) Fraction of PAR radiation

Figure 5-7: Diagrams

illustrating

the mean estimated

fraction

of the total

annual

global irradiance

for direct beam and PAR radiation

components

for slopes of various

magnitudes

and aspects.

The data

points

for both the

ev

and

ex

domains

are

combined.

277

SANDY

soil

LOAMY

soil

CLAYEY

soil

~300

~

c

290

o

~

280

::J

C

270

260

o

o

Flat element

I ~..... : .

0.2

0.4

0.6

0.8

Slope [rad]

~300

~

c

290

o

:; 280

:;

C

270

260

o

0.2

0.4

0.6

0.8

Slope [rad]

310

~300

~

c

290

o

~

280

::J

C

270

0.2

0.4

0.6

0.8

Slope [rad]

260

3000 4000 5000 6000 7000 8000

Irradiance [MJ m-

2

year-

1

]

260

3000 4000 5000 6000 7000 8000

Irradiance [MJ m-

2

year-

1

]

310

~300

~

c

290

o

:; 280

:;

C

270

260

3000 4000 5000 6000 7000 8000

Irradiance [MJ m-

2

year-

1

]

310

.

~300

~

c

290

.2

E

280

::J

C

270

.....

...

..

. ..

.

..

310

~300

~

c

290

.2

E

280

::J

C

270

Figure 5-10: Mean simulated durations of growing season for the base case scenario

for the three soil types used in the experiments,

relative to slope n1agnitude and

site n1ean annual surface irradiance.

Note that the three curves in the upper plots

correspond to slopes of different aspect: north-facing are at the top, east-west facing

are in the n1iddle, and south-facing are at the botton1.

284

0.8

..

............

.

.

o

0.5

0.05

.

c.)