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Development of a stomatal conductance model for white clover and its application for ozone flux predictions

Entwicklung eines Modelles der stomatären Leitfähigkeit für Weißklee und seine Anwendung zur Abschätzung von Ozonflüssen

  • Tropospheric ozone (O3) is known to have various detrimental effects on plants, such as visible leaf injury, reduced growth and premature senescence. Flux models offer the determination of the harmful ozone dose entering the plant through the stomata. This dose can then be related to phytotoxic effects mentioned above to obtain dose-response relationships, which are a helpful tool for the formulation of abatement strategies of ozone precursors. rnOzone flux models are dependant on the correct estimation of stomatal conductance (gs). Based on measurements of gs, an ozone flux model for two white clover clones (Trifolium repens L. cv Regal; NC-S (ozone-sensitive) and NC-R (ozone-resistant)) differing in their sensitivity to ozone was developed with the help of artificial neural networks (ANNs). White clover is an important species of various European grassland communities.rnThe clover plants were exposed to ambient air at three sites in the Trier region (West Germany) during five consecutive growing seasons (1997 to 2001). The response parameters visible leaf injury and biomass ratio of NC-S/NC-R clone were regularly assessed. gs-measurements of both clones functioned as output of the ANN-based gs model, while corresponding climate parameters (i.e. temperature, vapour pressure deficit (VPD) and photosynthetic active radiation (PAR)) and various ozone concentration indices were inputs. The development of the model was documented in detail and various model evaluation techniques (e.g. sensitivity analysis) were applied. The resulting gs model was used as a basis for ozone flux calculations, which were related to above mentioned response parameters. rnThe results showed that the ANNs were capable of revealing and learning the complex relationship between gs and key meteorological parameters and ozone concentration indices. The dose-response relationships between ozone fluxes and visible leaf injury were reasonably strong, while those between ozone fluxes and NC-S/NC-R biomass ratio were fairly weak. The results were discussed in detail with respect to the suitability of the chosen experimental methods and model type. rn
  • Troposphärisches Ozon (O3) ruft zahlreiche negative Effekte bei Pflanzen hervor, z.B. sichtbare Blattschäden und Biomasse-Einbußen. Ozon-Flussmodelle ermöglichen die Abschätzung der von Pflanzen aufgenommenen Ozon-Dosis, die mit diesen phytotoxischen Wirkungen in Beziehung gesetzt werden kann. Diese Dosis-Wirkungsbeziehungen helfen bei der Formulierung von Richtlinien zur Reduzierung von Ozon-Vorläufersubstanzen.rnOzon-Flussmodelle sind von der exakten Bestimmung der stomatären Leitfähigkeit (gs) abhängig. Mit Hilfe künstlicher neuronaler Netze (ANNs) wurde ein Modell der stomatären Leitfähigkeit für zwei Klone des Weißklees (Trifolium repens) " einer wichtigen Grünlandpflanze - mit unterschiedlicher Ozon-Sensitivität (NC-S (Ozon-sensitiv) und NC-R (Ozon-resistent)) entwickelt, das auf Gaswechselmessungen unter Freilandbedingungen sowie Messungen des unmittelbaren Mikroklimas basiert. rnAls Wirkungsparameter der in den Jahren 1997 bis 2001 an drei Standorten in der Region Trier exponierten Kleeklone wurden "sichtbare Blattschäden" und "Verhältnis Biomasse NC-S/NC-R Klon" aufgenommen. An beiden Klonen durchgeführte gs-Messungen dienten als Output des ANN-basierten gs-Modells. Input-Faktoren waren Lufttemperatur, Wasserdampfdruck-Defizit (VPD), photosynthetisch aktive Strahlung (PAR) und unterschiedliche Ozon-Konzentrationsindizes. Der Entwicklung und Evaluation (Pruning, Sensitivitätsanalysen etc.) des ANN-Modells wurde hohe Bedeutung beigemessen. Das resultierende gs-Modell ermöglichte die Berechnung von standortspezifischen Ozon-Flüssen in der Region Trier, die mit obigen Ozon-Wirkungen in Verbindung gesetzt wurden. rnDas Modell war in der Lage, ein enges Verhältnis zwischen gs und den meteorologischen Eingangsparametern aufzudecken und zu erlernen. Gute Dosis-Wirkungsbeziehungen wurden zwischen Ozon-Flüssen und sichtbaren Blattschäden nachgewiesen, während das NC-S/NC-R Biomasse-Verhältnis nur eingeschränkt mit modellierten Ozon-Flüssen korrelierte. Die Ergebnisse wurden eingehend im Hinblick auf die Eignung der gewählten experimentellen Methoden und des Modell-Typs diskutiert. rn

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Metadaten
Author:Patrick Büker
URN:urn:nbn:de:hbz:385-5812
Advisor:Willy Werner
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of completion:2010/06/24
Publishing institution:Universität Trier
Granting institution:Universität Trier, Fachbereich 6
Date of final exam:2007/12/14
Release Date:2010/06/24
Tag:Dosis-Wirkungs-Beziehung; Ozon-Phytotoxizität; Ozonflussmodell; Stomatäre Leitfähigkeit
Artificial Neural Network; Dose-response relationship; Ozone flux model; Stomatal conductance; White clover
GND Keyword:Biomonitoring; Gasaustausch; Modellierung; Neuronales Netz; Ozon; Weißklee
Institutes:Fachbereich 6 / Geographie und Geowissenschaften
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 57 Biowissenschaften; Biologie / 570 Biowissenschaften; Biologie

$Rev: 13581 $