Carbon Balance and Management, 2006; 1: 7-7 (más artículos en esta revista)

Impactos de grandes perturbaciones climáticas en el ciclo del carbono terrestre

BioMed Central
Tim Erbrecht (Tim.Erbrecht @ Pik-potsdam.de) [1], Wolfgang Lucht (Wolfgang.Lucht @ Pik-potsdam.de) [1]
[1] Potsdam Institute for Climate Impact Research, PO Box 6012303, D-14412 Potsdam, Alemania
[2] Instituto de Geoecology la Universidad de Potsdam, PO Box 601553, D-14415 Potsdam, Alemania

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Resumen
Fondo

La cantidad de dióxido de carbono en la atmósfera aumenta de manera constante como consecuencia de las emisiones antropógenas pero con gran variabilidad interanual causada por la biosfera terrestre. Estas variaciones en las emisiones de CO 2 tasa de crecimiento son causados por grandes anomalías climáticas, pero las contribuciones relativas de crecimiento de la vegetación y el suelo de descomposición es incierto. Utilizamos un modelo biogeoquímico de la biosfera terrestre a diferenciar los efectos de la temperatura y las precipitaciones en la producción primaria neta (NPP) y la respiración heterotrófica (Rh) durante los dos mayores anomalías en la atmósfera de CO 2 aumentan durante los últimos 25 años. Uno de ellos, el más pequeño atmosférica año a aumentar (mayor absorción de carbono del suelo) en ese período, fue causado por enfriamiento global en 1992/93 después de la erupción volcánica Pinatubo. El otro, el mayor aumento en la atmósfera registro (mayor liberación de carbono del suelo), fue causado por la fuerte episodio de El Niño de 1997/98.

Resultados

Nos parece que la LPJ modelo simula correctamente la magnitud de la modulación terrestre de carbono en la atmósfera anomalías de estos dos trastornos extremos. La respuesta de la respiración del suelo a los cambios de temperatura y precipitación explica la mayor parte de la anómala modelo de flujo de CO 2.

Conclusión

Observados y el modelo NEE anomalías se encuentran en buen acuerdo, por lo tanto sugerimos que la variabilidad temporal de la respiración heterotrófica producida por nuestro modelo es bastante realista. Por lo tanto, concluir que durante los últimos 25 años las dos mayores perturbaciones del ciclo global del carbono están fuertemente controlados por procesos del suelo en lugar de la respuesta de la vegetación a estos grandes eventos climáticos.

Fondo

Las emisiones antropógenas continuamente añadir unos 7000-8000 millones de toneladas métricas de carbono a la atmósfera por año [1]. Dióxido de carbono atmosférico mediciones muestran que la tasa de aumento de CO 2 atmosférico varía sustancialmente de un año a otro [2]. Es un hecho ampliamente aceptado que estas variaciones son causadas por la biosfera terrestre a través de los procesos de toma de carbono durante la fotosíntesis y la liberación de carbono durante la respiración del suelo [3]. Además, los fuertes disturbios, como en gran escala incendios puede alterar significativamente el intercambio de carbono entre los ecosistemas terrestres y la atmósfera. Por ejemplo, hasta el 65% del CO 2 observó tasa de crecimiento en 1998 se atribuyó a la biomasa quemada en tropicales y boreales regiones [4]. En comparación, las variaciones en los océanos [5], la deforestación, el uso de la tierra y el cambio son mucho más pequeños [6].

La incertidumbre sigue siendo, sin embargo, con respecto a la influencia relativa de la conducción de anomalías climáticas (temperatura y precipitación de anomalías) en los más destacados procesos de carbono terrestre, es decir, el crecimiento de vegetación (PNP) y la descomposición del suelo (Rh). Modelos numéricos de la tierra del ciclo del carbono permitir las investigaciones de estas relaciones.

Los dos principales anomalías de CO 2 atmosférico tasa de crecimiento durante los últimos 25 años están relacionados con dos grandes alteraciones climáticas - la mayor albedo planetario, después de la erupción del Monte Pinatubo en 1991 y el fuerte episodio de El Niño de 1997/98. La erupción Pinatubo fue un acontecimiento extraordinario debido a la gran cantidad de aerosoles que se inyecta en la estratosfera inferior, donde se distribuyeron en todo el mundo, dando lugar a un mundo a escala de enfriamiento de alrededor de 0,5 ° C [7]. 1997/98 El fenómeno de El Niño fue inusual en el sentido de que es muy fuerte [8].

Nosotros utilizamos el modelo de LPJ carbono terrestre y los ciclos del agua [9, 10] para estudiar la covariability de forzamiento climático y las respuestas fisiológicas (namely_NPP y Rh) de la biosfera terrestre a escala mundial, así como para determinadas regiones latitudinales. Los resultados muestran que una gran fracción de la que se observa CO 2 tasa de crecimiento se controla la variabilidad de los suelos varían de descomposición de materia orgánica en lugar de cambiar la productividad de las plantas. Esto arroja más luz sobre los estudios anteriores que puso de relieve las conexiones entre la variabilidad interanual de CO 2 atmosférico crecimiento y la productividad primaria neta [11 - 13].

Resultados
El evento se hunden 1992/93

Con el fin de calcular la proporción de CO 2 observó la variabilidad controlada por el ecosistema terrestre fisiología hemos utilizado el estado de la técnica, las estimaciones de flujo de carbono anomalías de los océanos, cambio de uso del suelo, las emisiones antropógenas, y los incendios y la reducción de la medición de CO 2 atmosférico tasa de crecimiento de anomalías en consecuencia (véase la figura 1]. La suma de -0,91 GtC / año de la anomalía observada de -1,61 GtC / año se demuestre que ha sido causado por cambios en las centrales nucleares y Rh. LPJ El modelo calcula -0,86 GtC / año (fig. 2): es cuantitativa en acuerdo con las observaciones. Superior a la normal absorción de carbono oceánico y la reducción de las emisiones antropógenas contribuido a la anómala de flujo de carbono en la vegetación además de la productividad y la respiración del suelo (fig. 1]. No hay indicios de que los incendios silvestres contribuido de manera significativa a la observada después de Pinatubo flujo de anomalías [14].

¿Cuál fue el motivo de este gran sumidero anómala - cambios en las centrales nucleares o Rh? El modelo muestra que la marcada reducción de CO 2 atmosférico aumento es consecuencia de la reducción del suelo mientras que la respiración del PNP no ha cambiado (véase [15 - 17]].

La fuente evento 1998

La respuesta fisiológica de la biosfera terrestre durante el 1997/98 fuerte episodio de El Niño era diametralmente opuesta a la del período 1992/93. Un gran flujo anómalo de 2,82 Giga toneladas de carbono en la atmósfera se midió en 1998 de 1,62 Giga toneladas de carbono que pueden ser asignados para el crecimiento de vegetación y el suelo los procesos de descomposición de la biosfera terrestre (fig. 1]. LPJ simula un valor de 1,85 Giga toneladas de carbono debido a la fuerte respiración del suelo que en parte fue contrarrestado por el aumento de la actividad fotosintética (fig. 2]. Los restantes 1,2 gigatoneladas de la tierra anómala fuente consiste en una pequeña contribución de las emisiones antropógenas (alrededor de 0,2 GtC), mientras que el resto se debe a las emisiones de carbono de los incendios en una amplia tropicales, subtropicales y regiones boreales [4, 18] (fig. 1] .

Discusión
El evento se hunden 1992/93

La calidad del modelo de descomposición de carbono del suelo es menos cierto que la de centrales nucleares. Los estudios muestran, sin embargo, que la variabilidad temporal de actividad como modelo de vegetación se encuentra en buen estado independiente de acuerdo con los datos obtenidos por satélite [17, 19], lo que indica que las variaciones temporales de los asociados de centrales nucleares simulados es probable fiable. Debido a medida y el modelo NEE, es decir, la diferencia de Rh y de centrales nucleares, se encuentran a ser muy similar en magnitud, sugerimos que nuestra simulación de la magnitud de la respiración del suelo anómalo es plausible.

Si bien los resultados muestran que los procesos de suelo controlado el aumento de los sumideros que la tierra sigue sin estar clara la razón por la CN de no reaccionar a las anomalías climáticas y cuál es la importancia relativa de los cambios en la temperatura y las precipitaciones fueron. Se realizó un experimento factorial donde ya sea después de Pinatubo temperatura o las anomalías de precipitación (es decir, sólo las anomalías 1992-94) fueron eliminados en las simulaciones, es decir, los valores mensuales de temperatura y las precipitaciones fueron sustituidos por sus correspondientes promedios 1979-2003. Estas simulaciones ayudan a aclarar la pertinencia de los cambios en la temperatura y las precipitaciones fueron para los presupuestos de carbono de la vegetación y los suelos. Nos parece que si el enfriamiento global después de la erupción Pinatubo se elimina (NEE T const.) Los sumideros de carbono terrestre, junto con la disminución Rh, y los valores más altos de la CN se alcanzan (fig. 3]. Cuando la observó anomalías de precipitación, asociado a la debilidad del fenómeno de El Niño que tuvo lugar durante el mismo período de tiempo, se eliminan, las anomalías de la temperatura negativa por sí solo desencadenar un sumidero mucho mayor que observó (fig. 3, P const). El aumento del flujo neto de carbono de la atmósfera en la biosfera resultados de la mayor central nuclear Rh mientras que se mantiene sin cambios. En resumen, parece que el gran sumidero anormalmente después de los sumideros Pinatubo fue causado principalmente por el efecto amortiguador de temperaturas más bajas en la actividad microbiana del suelo (fig. 2], pero que después de Pinatubo agua-la limitación de la CN debilitado la fuerza de los sumideros .

La fuente evento 1998

Más cálidas y húmedas que lo habitual durante el año 1998 las condiciones estimulado tanto de centrales nucleares y Rh en la estela del gran El Niño, con un efecto especialmente pronunciado sobre el suelo respiración (fig. 2]. El pequeño aumento anómalo en las precipitaciones en los datos sobre el clima se aparta de la premisa general de que los episodios El Niño en la cuenca del Amazonas se caracterizan por extenderse las estaciones secas, inferior estación húmeda las precipitaciones y los cambios espaciales en la distribución de las precipitaciones [3]. La fuerte sensibilidad de la respiración heterotrófica a contenido de humedad del suelo también se ha observado en el remolino de covarianza mediciones [20]. Debido a teleconexiones períodos de El Niño también afectan a las condiciones climáticas en la extratropics. Por ejemplo, la vegetación actividad en el norte de las regiones templadas se correlacionó positivamente con El Niño-La Niña durante el verano del norte [21]. Un patrón de anomalías negativas de centrales nucleares en los trópicos y anomalías positivas en las zonas templadas también es producida por el modelo LPJ. Sin embargo, la simulación de equilibrio global del carbono es determinado principalmente por la respuesta diferencial de CN tropicales y Rh. En las latitudes medias septentrionales, mayor absorción de CO 2 por la vegetación es contrarrestado por el aumento de la respiración debido a las temperaturas más altas (fig. 4]. La contribución dominante de los ecosistemas tropicales a la gran tierra-atmósfera flujo durante las condiciones de El Niño debido a la variación opuesta de la CN y Rh se ha observado en otros estudios de modelización y [13, 22].

La supresión de las anomalías de precipitación de los datos climáticos resultados en un pequeño sumidero de carbono terrestre que se activa mediante el aumento de centrales nucleares en los trópicos, mientras que la reducción del flujo de carbono de los suelos (fig. 4, const P). La influencia de las anomalías de la temperatura es más importante fuera de la latitudes bajas. La eliminación de la anomalía positiva de temperatura de 1998 Rh reduce significativamente a mediados de latitudes mientras que los flujos de carbono dentro y fuera de los ecosistemas tropicales se equilibrada (fig. 4, const T). Por lo tanto, la fuente de carbono 1998 como resultado de dos mecanismos: a la limitación de la actividad de la vegetación y una estimulación de la descomposición del suelo en los trópicos, así como la temperatura impulsada por la aceleración (posiblemente a través de teleconexiones) de la respiración heterotrófica en relación con centrales nucleares en el norte de las regiones templadas.

Conclusión

Llegamos a la conclusión de que las dos mayores variaciones del ciclo global del carbono observado durante los últimos 25 años fueron predominantemente controlada por procesos del suelo en lugar de la actividad de la vegetación. Esto añade una perspectiva diferente a los anteriores análisis [11 - 13] que se concentró en las contribuciones de anomalías mundial de centrales nucleares para el CO 2 atmosférico tasa de crecimiento de anomalías. Si bien la CN de hecho desempeña un papel importante, el análisis muestra que en algunos períodos en los cambios de centrales nucleares por sí solos no explican la observada excursiones de dióxido de carbono atmosférico acumulación. Esto se aplica especialmente a los dos grandes eventos analizados en este documento, y en ambos casos los cambios en la respiración del suelo explicar la variabilidad observada. Teniendo en cuenta sólo la relación entre el clima y la CN subestima la verdadera variabilidad del ciclo global del carbono. Crecimiento de la vegetación y el suelo de descomposición reaccionar diferencialmente a las anomalías de la temperatura y las precipitaciones.

Observados y el modelo de acuerdo NEE anomalías sorprendentemente bien, lo que sugiere que la LPJ modelo simula la variabilidad temporal de la materia orgánica del suelo descomposición suficientemente. El modelo puede ser aplicado, por lo tanto, para el análisis de la biosfera de la tierra modulación de concentraciones atmosféricas de CO 2 y los efectos biogeoquímicos en gran escala de las variaciones climáticas.

Hay varias consecuencias para la política. En primer lugar, a largo plazo la protección del clima estrategias encaminadas a la plena contabilidad de las terrestres fuentes y sumideros de carbono deberían centrarse en los suelos y la vegetación procesos por igual. Actualmente, mucho más se sabe sobre la vegetación las respuestas al cambio climático que sobre los procesos del suelo [23]. En segundo lugar, el ciclo del carbono terrestre varía fuertemente en el espacio y el tiempo. Un régimen de vigilancia, por lo tanto, debe tener en cuenta las características de la dinámica observada y el modelo para las diferentes regiones del mundo y los períodos temporales. Climatic acontecimientos puede alterar fuertemente el corto plazo el equilibrio, lo que hace que atípicas de la media de comportamiento.

Métodos
El LPJ DGVM

El LPJ global y dinámica de la vegetación Modelo [9, 10] es un modelo biogeoquímicos de los flujos de carbono y agua en la vegetación terrestre y los suelos. La absorción de carbono durante la fotosíntesis se calcula utilizando el Farquhar-Collatz régimen lo que se suma a dos capas de suelos [24, 25]. Carbono asimilado se asigna a cuatro piscinas (hojas, albura, el duramen y raíces finas) tras alométricas y relaciones funcionales [9]. De carbono de la biomasa muerta entra antes y belowground basura piscinas y luego se transfirió a una rápida y lenta descomposición de carbono del suelo piscina. La materia orgánica del suelo de descomposición se calcula mediante una modificación de la formulación de Arrhenius [26], lo que implica una disminución de Q 10 aparente con la temperatura, así como un empírico relación de la humedad del suelo [27].

Hemos realizado simulaciones con 0,5 grados de resolución espacial (59199 cuadrícula) utilizando una climatología con interpolación de los valores mensuales de temperatura, precipitación y radiación [28, 29]. A la cubierta vegetal conjunto de datos producidos en la Universidad de Maryland presentó una distribución realista de la cosecha mundial de tierras [30]. El LPJ-DGVM ha sido ampliamente validada utilizando datos procedentes de diversas mediciones atmosféricas, activa y pasiva de datos de teleobservación, y las mediciones de flujo. Se demostró que el modelo es capaz de simular en gran escala la estructura, distribución y fenología de la vegetación mundial [9, 17], así como los ciclos estacionales inferirse de la humedad del suelo [31], la evapotranspiración y la escorrentía [10].

Conflicto de intereses

Los autores declaran que no tienen intereses en conflicto.

Autores de las contribuciones

Tim Erbrecht llevó a cabo la LPJ simulaciones y participaron en el análisis e interpretación de resultados de modelación, y escribió el manuscrito. Wolfgang Lucht participó en el análisis de datos e interpretación.

Agradecimientos

Reconocemos la financiación de proyectos por parte del Estado de Brandeburgo (TE) y la International Max Planck Research School en la Tierra la modelización de sistemas. Damos las gracias a Sibyll Schaphoff, Dieter Gerten, y Wolfgang Cramer para contribuciones valiosas y apoyo continuo. Nos gustaría expresar nuestro agradecimiento a Will Steffen por haber sido la manipulación y el Editor de a tres revisores anónimos por sus muy útiles comentarios.