Carbon Balance and Management, 2006; 1: 6-6 (más artículos en esta revista)

Vegetación terrestre y la redistribución del balance de carbono en virtud del cambio climático

BioMed Central
Wolfgang Lucht (Wolfgang.Lucht @ Pik-potsdam.de) [1], Sibyll Schaphoff (Sibyll.Schaphoff @ Pik-potsdam.de) [1], Tim Erbrecht (Tim.Erbrecht @ Pik-potsdam.de) [1] , Ursula Heyder (Ursula.Heyder @ Pik-potsdam.de) [1], Wolfgang Cramer (Wolfgang.Cramer @ 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

Global y dinámica de los modelos de vegetación (DGVMs) calcular el balance de carbono terrestre, así como la transitoria de la distribución espacial de la vegetación. Se han estudiado dos escenarios de moderada y fuerte sobre el cambio climático (2,9 y 5,3 K K aumento de la temperatura sobre la actualidad) para investigar la redistribución espacial de los principales tipos de vegetación y su balance de carbono en el año 2100.

Resultados

El mundo la tierra de vegetación será más deciduo que en la actualidad, y contiene alrededor de 125 millones de toneladas de carbono adicionales. Si bien la recesión de los bosques boreales se simula en algunas zonas, junto con una expansión general para el norte, no informó de observar un colapso de la central de la selva tropical amazónica. Por el contrario, una disminución de la biomasa y un cambio de tipo de vegetación se produce en su parte noreste. La capacidad de la biosfera terrestre para secuestrar carbono de la atmósfera disminuye fuertemente en la segunda mitad del siglo 21.

Conclusión

El cambio climático va a causar importantes cambios en la distribución de los principales tipos de vegetación funcional en todos los continentes para el año 2100.

Fondo

La distribución de la vegetación del mundo ha cambiado con los últimos cambios en el clima y seguirá haciéndolo en el futuro. Debido al rápido aumento de concentraciones de gases de invernadero, los cambios climáticos ahora más rápidamente que lo ha venido haciendo durante mucho tiempo [1] - pero el patrón es irregular debido a la complejidad de los cambios en los patrones climáticos, el calentamiento y las precipitaciones cambio. Por lo tanto, ¿cuánto cambio de la vegetación y donde va a cambiar dramáticamente la mayoría? Ser capaz de responder a estas preguntas, ni siquiera aproximadamente, es importante por dos razones. En primer lugar, gran parte del bienestar humano depende de los ecosistemas, debido a los numerosos servicios que prestan [2]. En segundo lugar, los ecosistemas de tierras contienen grandes cantidades de carbono que podrían ser puestos en libertad como consecuencia de importantes cambios - que por lo tanto, puede acelerar o frenar el cambio climático sustancialmente [3 - 5] (acelerar, por ejemplo, debido al aumento de las emisiones de carbono orgánico de los suelos, incendios forestales o forestal muerte regresiva, o retrasar, por ejemplo, a través de una mayor crecimiento de la vegetación y el almacenamiento en seco o en frío los suelos).

Vegetación terrestre responde al cambio climático en varios niveles. Los cambios de temperatura, precipitaciones, la luz y la disponibilidad de nutrientes y, en concentraciones atmosféricas de CO 2 influencia planta bioquímica y fisiología, así como la asignación de carbono a largo o corta vida partes de la planta como las hojas, tallos y raíces. Además, las plantas han desarrollado diferentes estrategias funcionales para hacer frente a condiciones adversas como la sequía, el frío o la inundación (por ejemplo, la perenne y la decidua estrategias de los árboles), por lo tanto, los cambios en estas condiciones eventualmente dar lugar a cambios en la composición de las especies de un ecosistema -- Aunque desde hace varios decenios pueden ser necesarios para el proceso.

Cartografía de los resultados de la compleja interacción de estos procesos ha sido posible debido al desarrollo global y dinámica de los modelos de vegetación (DGVMs) [6], que simulan los saldos terrestres de carbono y agua, así como el desarrollo temporal de la vegetación en respuesta a los cambios clima. La distribución geográfica de la vegetación surge como resultado de las respuestas de diferentes tipos funcionales de plantas al clima, en lo que respecta a la productividad, las limitaciones bioclimática, el acceso a los recursos y el espacio, y la sensibilidad a perturbaciones naturales como los incendios.

Actualmente, la biosfera terrestre es un sumidero neto de carbono [7]. La mayoría de simulaciones de la biosfera de la tierra respuesta a futuros cambios climáticos (como simulados por los modelos climáticos) muestran una disminución en este sumidero comienzo a mediados del siglo 21 [4, 8 - 10], con algunos escenarios, incluso mostrando una pérdida neta de carbono de finales de siglo [3, 9, 11]. La magnitud de este terrestres comentarios sobre el clima se prevé que sea un aumento adicional en concentraciones atmosféricas de CO 2 de entre 20 y 200 ppm, lo que supone un aumento adicional de temperatura de entre 0,1 y 1,5 K K [12].

Más allá de estos números globales, todas estas simulaciones contienen dramáticos cambios regionales en la estructura de la vegetación y la composición, en algunos casos catastróficos de medida. En algunos modelos de simulación, por ejemplo, un colapso de partes de la selva amazónica se produce por el año 2100 debido a la fuerte disminución de las lluvias [13]. Una disminución de los bosques boreales zona debido al aumento de estrés térmico en los árboles boreales ha informado [11]. Otro ejemplo es una transición de clima templado a subtropical sabana boscosa de tierras altas ubicación en África [9]. Los cambios de este tipo implicaría un cambio significativo en la composición y la estructura de los respectivos ecosistemas - sin embargo, difieren en función de la emisión de gases de efecto escenario, escenario climático y la biosfera modelo de simulación utilizado.

Como un paso hacia la identificación de una evaluación más robusta, utilizamos el estado de la técnica LPJ-DGVM [14, 15] y presentar los resultados para el cambio de los presentes en la vegetación natural para dos escenarios de cambio climático, seleccionada para representan una amplia gama de posibles futuros de moderada (aunque no débil) a cambio fuerte para el año 2100. Las consecuencias del cambio climático moderado (aumento de la temperatura de la tierra: 2,9 K) se calcularon para ECHAM5 modelo climático proyecciones en virtud de la IEEE-B1 escenario de emisión (aumentará a 550 ppm de CO 2 en 2100). Las consecuencias del fuerte sobre el cambio climático (aumento de la temperatura de la tierra: 5,3 K) se calcularon para HadCM3 modelo climático proyecciones en virtud de la IEEE-A2 escenario de emisión (aumentará a 856 ppm de CO 2 en 2100).

Resultados
Los cambios de la vegetación

La Figura 1 muestra los cambios simulados en cubrir la fracción de los principales tipos de vegetación. Los patrones de cambio son en general similares a moderada y fuerte para el cambio climático, pero son más pronunciados y más amplia para el calentamiento y concentraciones atmosféricas de CO 2.

Tundra del Ártico desaparece en el norte de Eurasia, donde el calentamiento es desproporcionadamente fuerte, como ampliar los bosques caducifolio. En el norte de Canadá, las nuevas tundra está formado por la franja del Ártico que en la actualidad sólo está escasamente o no con vegetación.

Los bosques boreales se ven afectados por una serie de cambios a gran escala. Evergreen vegetación aumenta su presencia a lo largo del borde norte de la zona boreal. Más al sur, aunque en el centro de Eurasia occidental y en el Canadá siguen siendo en gran medida los bosques mixtos, un cambio generalizado hacia más deciduousness ocurre. En el extremo sur de los bosques boreales, donde las fronteras en la estepa de Asia Central y Canadá, una recesión de la cubierta forestal se observa en varias zonas debido al aumento de la sequía. En la mayor escenario de cambio climático, los bosques boreales se derrumba o cambios en un bosque abierto en el sur de Siberia oriental, central y occidental de Siberia, y al suroeste de la bahía de Hudson en Canadá debido a un aumento de la mortalidad causada por el estrés térmico. Un mecanismo por el cual esto ocurre es pico de estrés por calor del verano boreal en las especies en las zonas donde los inviernos fríos continental evitar una invasión de especies templadas.

En la zona templada, planta perenne tipos funcionales aumentar sus fracciones, a expensas de la vegetación caducifolia en varias regiones, por ejemplo, en el sureste de EE.UU., en Europa y en partes del este de China. Los bosques y sabanas de América del Sur y en el sur de África, por otro lado, muestran un aumento deciduousness.

La composición de la vegetación de la zona tropical perenne es en gran parte no afectados por el cambio climático en el nivel de estrategias funcionales. Las simulaciones no muestran un colapso de la selva tropical amazónica, incluso para un fuerte cambio climático. Una disminución de la superficie forestal se observa, sin embargo, a lo largo de su margen oriental.

En varias regiones con la sabana, por ejemplo en el sur de África, los pastizales experiencia woody invasión. En muchas regiones semiáridas, una mayor eficiencia del uso del agua debido al aumento de concentraciones atmosféricas de CO 2 conduce a un aumento en los herbáceos o hierba cubierta. Grass cubrir también aumenta cuando los bosques franco retroceso. Los cambios regionales en las precipitaciones, sin embargo, puede dar lugar a una disminución neta de los no leñosos la cubierta vegetal en las regiones afectadas. Los aumentos y disminuciones de la cobertura de pastos muestran un fuerte patrón espacial diferenciada en todo el mundo.

Los cambios en el almacenamiento de carbono terrestre y el intercambio

En estas simulaciones, la biosfera contiene 228 y 205 GtC (1 GtC = 1 mil millones de toneladas de carbono) más carbono en el año 2100 que en el año 2000, para la moderada y la fuerte hipótesis, respectivamente. Vegetación de la biomasa se incrementa en 131 y 125 GtC, y la suma de carbono contenido en la hojarasca y el suelo de 97 y 80 GtC. Producción primaria neta se incrementa en 18 y 28 GtC / año, la respiración del suelo de 17 y 24 GtC. Las emisiones de los incendios aumentará en un 3,3 y 5,3 GtC / año, respectivamente. Como consecuencia de ello, la biosfera terrestre del sumidero de carbono es de 2,4 y 1,6 GtC / año en 2100 menor de lo que es hoy en día (los sumideros actuales, 1971-2000: 3,0 y 1,9 GtC / año; futuro sumideros 2071-2100: 0,6 y 0,3 GtC / año ).

La Figura 2 muestra que estas cifras son el resultado acumulativo de un patrón espacial diferenciado que es más pronunciado para el cambio climático más fuerte. El alto latitudes septentrionales actuar como un importante sumidero de carbono como el calentamiento de carbono y la fertilización estimular el crecimiento de vegetación. El boreales y templadas latitudes medias perder de carbono como la biomasa disminuye regional. Por fuerte calentamiento climático, la respiración heterotrófica del suelo, además, es estimulado. El África tropical y subtropical zona actúa como un sumidero de carbono como la fertilización y el aumento de eficiencia del uso del agua más apoyo vegetación. En el fuerte escenario de cambio climático, la biomasa disminuye fuertemente en la zona oriental llega de los bosques tropicales de América del Sur, en una región que es considerablemente más grande que la región en la que el tipo de bosque cambia sustancialmente.

La Figura 3 muestra la evolución temporal de la red de intercambio de carbono entre la superficie terrestre y la atmósfera entre 1900 y 2100 para los dos escenarios. El sumidero de carbono terrestre actualmente alcanzado aumentará hasta alrededor de 2025, luego disminuyendo. Al final del siglo, caracterizado por períodos neta de carbono terrestre liberación cada vez más frecuentes y el promedio se hunden fuerza se reduce a cerca de cero. Las principales excursiones hacia el final del siglo están relacionados con los períodos de mayor a la media en los extremos del clima simulado. Con carácter excepcional, los años secos con un aumento de la actividad de pólvora (fuente de carbono) son los primeros seguidos de re-crecimiento durante un período con un poco más de precipitación (sumidero), luego renovada por el fuego actividad (fuente).

Discusión

Un gran desconocido en la proyección de futuro el cambio de la vegetación es la disputa de carbono magnitud de los efectos sobre la fertilización crecimiento de la planta. De acuerdo a corto plazo los datos experimentales [16, 17], DGVMs general, asumir una persistente disminución de la estimulación, sino de asimilación de carbono atmosférico con el aumento de concentración de dióxido de carbono y en gran medida invariante asignación de beneficios de carbono para las plantas compartimentos. Ambos de estos supuestos siguen siendo objeto de controversia en cuanto a su magnitud, la persistencia y la aplicabilidad general en virtud de nutrientes y agua limitaciones [18].

Una fuente de incertidumbre es también la distribución espacial de los futuros cambios en las precipitaciones. Los modelos climáticos difieren considerablemente en el patrón espacial de sus proyecciones, pero estos cambios son de primer orden conductor del bioma estructura. La incertidumbre también es debido a lagunas en conocimiento generalizado sobre el alcance y mecanismos mediante los cuales las plantas y los ecosistemas son capaces de adaptarse a los cambios, y los umbrales más allá de mecanismos compensatorios que no. La existencia de esos umbrales es bien conocido de vez en cuando los devastadores efectos regionales sobre la vegetación de años con anormalmente climáticas extremas.

Los cambios futuros en las limitaciones de nutrientes de la vegetación de crecimiento, especialmente en lo que respecta al nitrógeno y el fósforo, pueden desempeñar un papel importante en algunas zonas. El LPJ-DGVM asume la hoja de contenido de nitrógeno que optimizar la fotosíntesis, pero no simular la asignación de turnos fuera de las hojas en respuesta a las limitaciones de nitrógeno. Simulación de la biomasa se incrementa, sin embargo, no de una magnitud que pueden conducir a una limitación general de nutrientes en la escala mundial, regional aunque los efectos no se han terminado. El aumento de la demanda de agua de la vegetación superior a la temperatura del aire se debe en parte compensado por la LPJ-DGVM simulaciones por transpiración disminuye en virtud del mayor ambiente la concentración de CO 2. Este efecto está estrechamente entrelazada con los cambios concurrentes en la abundancia de vegetación y la composición [19]. Las proyecciones de futuro de incendios frecuencia y gravedad en LPJ-DGVM simulaciones dependerá de la evolución de la carga de combustible, el combustible de humedad y climáticas de probabilidad de incendios, aunque ocurrencia de incendios en los ecosistemas bajo tensión ambiental puede verse influida por factores adicionales.

En nuestras simulaciones no observar a gran escala muerte regresiva de la selva tropical amazónica, incluso con fuerte calentamiento. El patrón de reducción de la biomasa se diferencia de la producida por la vegetación componente de la simulación HadCM3 [13], pero es similar a un patrón observado con diferentes DGVM [10]. Sugerimos dos explicaciones. En primer lugar, HadCM3 la precipitación simulada para el presente es menor en algunas zonas que observó. Nuestro clima de normalización modelo de datos para observar los promedios de precipitación aumenta a niveles observados, y la selva sobrevive a la reducción posteriormente simulados, aunque la biomasa se pierde en la parte oriental de la región. En segundo lugar, no computar las reacciones entre el clima y la vegetación, que han demostrado mejorar la desecación de 20% [20].

Uno de los mecanismos mediante los cuales la vegetación se reduce la biomasa en nuestro simulaciones de la Amazonía es un aumento en la frecuencia de incendios debido a la reducción de las precipitaciones y el aumento de la producción de hojarasca. Esto provoca un bosque de edad más jóvenes con la biomasa forestal reducida a casi la mitad de su valor actual. En caso de que el bosque logra restablecer después de los incendios, el tipo de bioma sigue siendo la misma. Bosque se sustituirá por no vegetación leñosa en las regiones donde la frecuencia y la gravedad de los incendios impide su re-creación. Las emisiones de carbono de fuego aumento más fuerte en el noroeste de América del Sur, gran parte del sur de África, el Sahel, Australia y la India.

La simulación de la expansión hacia el norte del bosque boreal es generalmente aceptado, y hay pruebas de una recesión del sur boreal sequía inducida por la línea de árboles [21]. Poco sustancial existe debate de las posibles causas de bosque boreal muerte regresiva debido al estrés térmico, posiblemente debido a las altas temperaturas pico de tejidos. La mortalidad de árboles boreales destacó el aumento es debido a la infestación de insectos y el posterior incendio. Sin embargo, la dinámica de la vegetación en general se ven complicadas por los cambios en la profundidad del deshielo del permafrost y la capa de nieve, y por los posibles efectos de la fertilización de carbono.

Conclusión

El patrón espacial de la vegetación del mundo va a cambiar bajo el cambio climático [22 - 24]. Pero por cuánto y dónde? La respuesta dada por la actual investigación tiene que seguir siendo provisional, pero todos los indicios apuntan a que los cambios será extendido si el CO 2 atmosférico y el calentamiento aumento no se limitan a una pequeña magnitud. No sería prudente para el tratamiento de estos cambios la ligera. Los cambios en la distribución espacial de los tipos de vegetación señal grave cambio en los ecosistemas, con efectos en un gran número de especies. La elaboración de modelos, observacional y retos políticos que seguir para la biosfera y los ecosistemas de investigación son tan grandes, si no mayor, que los encontrados en la investigación del sistema climático. La biosfera seguirá para eliminar antropogénicas de carbono de la atmósfera, pero con la disminución de fuerza en la segunda mitad del siglo 21. Las grandes regiones del mundo se puede identificar que se proyecta a ser a largo plazo los sumideros o fuentes de carbono.

Vegetación modelos de la próxima generación se enfrenta a la tarea de proporcionar una mejor base para determinar el impacto del cambio climático sobre la distribución de la vegetación, la estructura y propiedades. Los procesos que se inspira, su base fisiológica y las interrelaciones en el nivel de los ecosistemas se exige el examen, el debate en términos de pertinencia y prioridad, y la integración en las nuevas versiones modelo. Estrechos vínculos existentes entre la biosfera modeladores, sobre el terreno los ecologistas, fisiólogos vegetales, biogeographers y experimentadores en biogeoquímica serán necesarios para lograr este avance [25].

El cambio climático es un importante, con mucho, pero no la única presión sobre la biosfera terrestre. Aún así ampliar el uso de la tierra y la deforestación, así como la contaminación química, el intercambio de especies y, quizás, más generalizada de la ingeniería genética en el futuro, con toda probabilidad, rivales o incluso eclipsar los efectos del cambio climático. De hoy los bosques tropicales, por ejemplo, están bajo presión, principalmente de nivel socioeconómico conductores que no están relacionados con el sino que interactúan con el cambio climático.

Las implicaciones de estos hallazgos para la formulación de políticas son de tres tipos. En primer lugar, bioma cambio es una dimensión importante en el que el grado de aceptable el cambio climático ha de ser evaluada. En segundo lugar, la saturación y la posterior disminución de almacenamiento terrestre de carbono es un factor a tener en cuenta en los debates de mitigación y las políticas de adaptación. En tercer lugar, un importante centrarse en climáticas y no climáticas causas del cambio de los ecosistemas se requiere en los próximos años para avanzar en la fiabilidad de las proyecciones disponibles de la biosfera terrestre cambio.

Métodos
El LPJ-DGVM

El LPJ-DGVM [14, 15] es un proceso modelo basado en clave de los procesos de los ecosistemas terrestres que rigen biogeoquímica y biogeografía. A Farquhar-Collatz régimen de la fotosíntesis se acopla a un período de dos capas del suelo régimen hidrológico para simulaciones diarias de la producción primaria bruta y la respiración de las plantas, incluidos los efectos de la sequía en la asimilación y la evapotranspiración, dependiendo de tejido-específico C: N ratios, la biomasa y fenología , Y utilizando una versión modificada Arrhenius temperatura dependen de la formulación. Carbono asimilado se asigna anualmente a cuatro piscinas (hojas, albura, el duramen y raíces finas) para satisfacer un conjunto de alométricas y relaciones funcionales. Las hojas y la raíz del volumen de negocios, así como la mortalidad de las plantas, alimentar a una camada piscina, una lenta y una rápida carbono del suelo piscina que la caries en función de la temperatura del suelo a través de una modificación de la formulación de Arrhenius, y la humedad del suelo. Vegetación diferencias funcionales están representados por siete leñosas y herbáceas dos tipos funcionales de plantas (PFP) diferenciadas por sus fisiológicas, fisionómicos y fenológicas atributos. Estos pueden co-existir en cualquier lugar, dependiendo de la planta de la competencia por los recursos y el espacio, y una serie de requisitos medioambientales. Fire perturbación se simula como una función de un umbral de carga de hojarasca y de superficie de la humedad del suelo, el permafrost no era el modelo. Una selección de la validación de modelos figura en [14, 19, 26 - 28].

Modelización de protocolo

Clima modelo los datos se interpolan a 0,5 grados de resolución y normalizado en cada píxel a la observada 1961-90 CRU2002 climatología [29] valor medio. Por Echam5 [30], la temperatura media mundial de la tierra se mantuvo casi sin cambios como consecuencia de ello, mientras que para HadCM3 [31] se aumentó de alrededor de 1 K. píxeles individuales, no obstante, han experimentado diferentes cantidades de normalización. La precipitación se había normalizado utilizando un factor relativo. A spinup de LPJ se realizó duradera 900 años, utilizando datos CRU lugar a los reservorios de carbono en un estado inicial realista. Esto fue seguido por un segundo más corto spin-up GCM normalizado con los datos que permitan ajustes de la distribución de la vegetación a las características del clima GCM. Transitorio se extiende desde 1860 a 2100 siguió, de los cuales los promedios de los períodos 1971-2000 y 2071-2100 fueron evaluados. Las dos combinaciones de hipótesis y modelos utilizados fueron seleccionados para representar a una moderada (pero no débil) y un fuerte ejemplo de los posibles futuros de entre la gama de resultados producidos por un mayor número de combinaciones de escenarios y modelos.

Conflicto de intereses

Los autores declaran que no tienen intereses en conflicto.

Autores de las contribuciones

WL diseñado y supervisado el análisis y escribió el manuscrito. SS llevaron a cabo el análisis y co-elaborado el diseño. TE UH contribuido y manejo de datos y análisis, WC análisis, la escritura y la supervisión.

Agradecimientos

Reconocemos la financiación de proyectos de la Pakt für Forschung de la Asociación Leibniz (SS, UH) y por el Estado de Brandeburgo (TE). Damos las gracias a Werner von Bloh, Christoph Müller, Stefanie Jachner y Alberte Bondeau de valiosas contribuciones, y Andreas Fischlin, Guy Midgley, Ron Neilson, Colin Prentice y Stephen Sitch para los debates. Reconocemos el modelado de grupos internacionales para prestar modelo climático del IPCC escenario de simulación para el análisis, el Programa para el Clima y el Modelo de Diagnóstico Intercomparación (PCMDI) para la recogida y archivo de datos del modelo, la JSC / CLIVAR Grupo de Trabajo sobre Junto Modelización (WGCM) y sus Junto Modelo de Intercomparación del proyecto (CMIP) y el Grupo de Simulación del Clima para organizar el modelo de análisis de datos de actividad, y el IPCC WG1 TSU de apoyo técnico. El IPCC Archivo de datos en Lawrence Livermore National Laboratory con el apoyo de la Oficina de Ciencia, EE.UU. Departamento de Energía. Damos las gracias a Will Steffen por haber sido la manipulación del Editor y tres revisores anónimos por sus excelentes comentarios.