Exchange of carbon dioxide, water and energy in South African semi-arid ecosystems
Date
2024-03
Authors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Stellenbosch : Stellenbosch University
Abstract
ENGLISH ABSTRACT: Recent research indicates that semi-arid regions contribute more than previously understood to
global atmospheric carbon dioxide growth rates. Human activities and rising atmospheric carbon
dioxide can alter ecosystem and biogeochemical processes in African drylands, potentially affecting
land-atmosphere feedbacks. In terms of primary productivity and water-use efficiency, semi-arid
ecosystems are expected to respond to these drivers more strongly. A paired-site eddy covariance
(EC) based technique was used in the study to assess the fluxes of carbon, water, and energy across
two semi-arid vegetation types that represent different semi-arid biomes in southern Africa: the
Nama-Karoo and the Savanna. The Nama Karoo Site recorded -160 g C m⁻² over 33 months, while the
Savanna Site recorded -567 g C m⁻². The mean net ecosystem exchange (NEE) was -189 g C m⁻² y⁻¹ for
the Savanna site and -53 g C m⁻² y⁻¹ for the Nama Karoo Site. NEE was driven by incoming radiation,
vapour pressure deficit (VPD), and air temperature, with soil moisture being a critical explanatory
variable for productivity. The Nama-Karoo site had better ecosystem water-use efficiency (WUE) than
the Savanna site while a greater closure rate of 96% was observed at the Savanna site compared to
the Nama-Karoo site's 80%, with Energy Balance Ratios of 0.93 and 0.88 for each site, respectively.
The responses of NEE, gross primary productivity (GPP), ecosystem respiration (ER) and
evapotranspiration (ET) to wetting events showed that NEE generally peaked after five days,
corresponding with GPP and ER peaks during the wet season while no significant peaks were observed
during the dry season with both ecosystems remaining neutral. After wetting, ET rates peaks
immediately and decreases to pre-wetting levels after around eight days during the wet season. At
the Savanna site, rainfall thresholds that initiated sustained photosynthesis (point at which GPP
surpasses ER and NEE denotes net uptake for a duration longer than 15 days) varied from 131 mm to
172 mm, whereas at the Nama-Karoo site, they varied from 98 mm to 165 mm. The second period had
higher rainfall thresholds, possibly due to fire delaying the growing season. Although rainfall is
a significant productivity driver, semi-arid ecosystems are likely to translate wetting events into
productivity due to a combination of factors including temperature, vegetation status, soil
properties, and preceding soil wetness conditions.
Lastly, the study assessed the use of Sentinel-2 vegetation indices to estimate GPP from three
semi-arid sites. The indices (the normalized difference vegetation index (NDVI), enhanced
vegetation index (EVI), and land surface water index (LSWI)) were evaluated independently and in
conjunction with meteorological factors. Results showed that adding meteorological factors to
single vegetation index estimations could improve GPP estimation accuracy. The phase of
productivity in semi-arid ecosystems is better represented by standard MODIS products than its
amplitude, accounting for 68-83% of GPP variability. The study contributes to the understanding of
the role of semi-arid ecosystems in climate change and in the global carbon cycle. It addresses
uncertainties in these ecosystems, which make up half of Africa. This expertise is crucial for
informed resource allocation and policy formulation for ecosystem restoration, mitigation, and
resilience, essential for the continent's growing population.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Onlangse navorsing dui daarop dat half-droë streke meer bydra as voorheen verstaan is tot die globale atmosferiese koolstofdioksied-groeikoerse. Menslike aktiwiteite en stygende atmosferiese koolstofdioksied kan ekosisteem- en biogeochemiese prosesse in Afrika droë streke verander en moontlik land-atmosfeer terugvoer beïnvloed. Daar word verwag dat half-droë ekosisteme sterker op hierdie drywers sal reageer in terme van primêre produktiwiteit en watergebruikseffektiwiteit. Die studie het koolstof-, water- en energievloei tussen twee half-droë plantegroeitype vergelyk wat verskillende suider-Afrika half-droë biome verteenwoordig, naamlik die Nama-Karoo en die Savanna, deur gebruik te maak van 'n gepaarde-site eddy covariance (EC) gebaseerde benadering. Die Nama Karoo-site het -160 g C m⁻² oor 33 maande aangeteken, terwyl die Savanna-site -567 g C m⁻²aangeteken het. Die gemiddelde netto- ekosisteem-uitruiling (NEE) was -189 g C m⁻² y⁻¹ vir die Savanna-site en -53 g C m⁻² y⁻¹ vir die Nama Karoo-site. NEE is aangedryf deur inkomende straling, dampdruktekort (VPD) en lugtemperatuur, met grondvog wat 'n kritiese veranderlike was vir produktiwiteit. Die Nama-Karoo-site het beter ekosisteem-watergebruikseffektiwiteit (WUE) gehad as die Savanna-site, terwyl 'n groter sluitingstempo van 96% waargeneem is op die Savanna-site in vergelyking met die Nama-Karoo- site se 80%, met energiebalansverhoudings van 0.93 en 0.88 vir elke site, onderskeidelik. Die reaksies van NEE, bruto primêre produktiwiteit (GPP), ekosisteemrespirasie (ER) en evapotranspirasie (ET) op bevochtiging gebeure het getoon dat NEE oor die algemeen na vyf dae 'n hoogtepunt bereik het, wat ooreenstem met GPP- en ER-piektye gedurende die nat seisoen, terwyl geen beduidende pieke waargeneem is tydens die droë seisoen met beide ekosisteme wat neutraal gebly het. Na bevochtiging het ET-koerse onmiddellik 'n hoogtepunt bereik en het dit na sowat agt dae gedurende die nat seisoen na voor-bevochtiging-vlakke afgeneem. By die Savanna- site het reënvaldrempels wat volgehoue fotosintese geïnisieer het (punt waarop GPP ER oorskry en NEE netto opname aandui vir 'n tydsduur langer as 15 dae) gewissel van 131 mm tot 172 mm, terwyl dit by die Nama-Karoo-site gewissel het van 98 mm tot 165 mm. Die tweede tydperk het hoër reënvaldrempels gehad, moontlik as gevolg van vuur wat die groeiseisoen vertraag het. Alhoewel reënval 'n beduidende drywer van produktiwiteit is, is dit waarskynlik dat half-droë ekosisteme bevochtiging gebeure na produktiwiteit omsit as gevolg van 'n kombinasie van faktore, insluitend temperatuur, plantestatus, grondeienskappe en voorafgaande grondwater toestande. Laastens het die studie die gebruik van Sentinel-2 plantindekse geëvalueer om GPP vanaf drie semi-droë areas te skat. Die indekse (die genormaliseerde verskil plantindeks (NDVI), versterkte plantindeks (EVI) en landoppervlakwaterindeks (LSWI)) is onafhanklik en in samehang met meteorologiese faktore beoordeel. Resultate het getoon dat die byvoeging van meteorologiese faktore tot enkele plantindeks raminge die akkuraatheid van GPP raming kon verbeter. Die fase van produktiwiteit in semi-droë ekosisteme word beter verteenwoordig deur standaard MODIS- produkte as sy amplitude, met 'n rekening vir 68-83% van GPP variasie. Die studie dra by tot die begrip van die rol van semi-droë ekosisteme in klimaatverandering en in die globale koolstof siklus. Dit spreek onsekerhede in hierdie ekosisteme aan, wat helfte van Afrika uitmaak. Hierdie kundigheid is noodsaaklik vir ingeligte hulpbron toekenning en beleidsformulering vir ekosisteemherstel, mitigasie en veerkrag, wat essensieel is vir die kontinent se groeiende bevolking.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Onlangse navorsing dui daarop dat half-droë streke meer bydra as voorheen verstaan is tot die globale atmosferiese koolstofdioksied-groeikoerse. Menslike aktiwiteite en stygende atmosferiese koolstofdioksied kan ekosisteem- en biogeochemiese prosesse in Afrika droë streke verander en moontlik land-atmosfeer terugvoer beïnvloed. Daar word verwag dat half-droë ekosisteme sterker op hierdie drywers sal reageer in terme van primêre produktiwiteit en watergebruikseffektiwiteit. Die studie het koolstof-, water- en energievloei tussen twee half-droë plantegroeitype vergelyk wat verskillende suider-Afrika half-droë biome verteenwoordig, naamlik die Nama-Karoo en die Savanna, deur gebruik te maak van 'n gepaarde-site eddy covariance (EC) gebaseerde benadering. Die Nama Karoo-site het -160 g C m⁻² oor 33 maande aangeteken, terwyl die Savanna-site -567 g C m⁻²aangeteken het. Die gemiddelde netto- ekosisteem-uitruiling (NEE) was -189 g C m⁻² y⁻¹ vir die Savanna-site en -53 g C m⁻² y⁻¹ vir die Nama Karoo-site. NEE is aangedryf deur inkomende straling, dampdruktekort (VPD) en lugtemperatuur, met grondvog wat 'n kritiese veranderlike was vir produktiwiteit. Die Nama-Karoo-site het beter ekosisteem-watergebruikseffektiwiteit (WUE) gehad as die Savanna-site, terwyl 'n groter sluitingstempo van 96% waargeneem is op die Savanna-site in vergelyking met die Nama-Karoo- site se 80%, met energiebalansverhoudings van 0.93 en 0.88 vir elke site, onderskeidelik. Die reaksies van NEE, bruto primêre produktiwiteit (GPP), ekosisteemrespirasie (ER) en evapotranspirasie (ET) op bevochtiging gebeure het getoon dat NEE oor die algemeen na vyf dae 'n hoogtepunt bereik het, wat ooreenstem met GPP- en ER-piektye gedurende die nat seisoen, terwyl geen beduidende pieke waargeneem is tydens die droë seisoen met beide ekosisteme wat neutraal gebly het. Na bevochtiging het ET-koerse onmiddellik 'n hoogtepunt bereik en het dit na sowat agt dae gedurende die nat seisoen na voor-bevochtiging-vlakke afgeneem. By die Savanna- site het reënvaldrempels wat volgehoue fotosintese geïnisieer het (punt waarop GPP ER oorskry en NEE netto opname aandui vir 'n tydsduur langer as 15 dae) gewissel van 131 mm tot 172 mm, terwyl dit by die Nama-Karoo-site gewissel het van 98 mm tot 165 mm. Die tweede tydperk het hoër reënvaldrempels gehad, moontlik as gevolg van vuur wat die groeiseisoen vertraag het. Alhoewel reënval 'n beduidende drywer van produktiwiteit is, is dit waarskynlik dat half-droë ekosisteme bevochtiging gebeure na produktiwiteit omsit as gevolg van 'n kombinasie van faktore, insluitend temperatuur, plantestatus, grondeienskappe en voorafgaande grondwater toestande. Laastens het die studie die gebruik van Sentinel-2 plantindekse geëvalueer om GPP vanaf drie semi-droë areas te skat. Die indekse (die genormaliseerde verskil plantindeks (NDVI), versterkte plantindeks (EVI) en landoppervlakwaterindeks (LSWI)) is onafhanklik en in samehang met meteorologiese faktore beoordeel. Resultate het getoon dat die byvoeging van meteorologiese faktore tot enkele plantindeks raminge die akkuraatheid van GPP raming kon verbeter. Die fase van produktiwiteit in semi-droë ekosisteme word beter verteenwoordig deur standaard MODIS- produkte as sy amplitude, met 'n rekening vir 68-83% van GPP variasie. Die studie dra by tot die begrip van die rol van semi-droë ekosisteme in klimaatverandering en in die globale koolstof siklus. Dit spreek onsekerhede in hierdie ekosisteme aan, wat helfte van Afrika uitmaak. Hierdie kundigheid is noodsaaklik vir ingeligte hulpbron toekenning en beleidsformulering vir ekosisteemherstel, mitigasie en veerkrag, wat essensieel is vir die kontinent se groeiende bevolking.
Description
Thesis (PhD)--Stellenbosch University, 2024.