• Energy Research
• US close

La croissance accrue de la végétation par le réchauffement climatique joue un rôle central dans l'amplification du cycle saisonnier du CO2 atmosphérique sur les terres nordiques (>50° N) depuis les années 1960. Cependant, la corrélation entre la croissance de la végétation, la température et l'amplitude saisonnière de la concentration de CO2 atmosphérique est devenue insaisissable avec le ralentissement de la tendance à la hausse de la croissance de la végétation et l'affaiblissement du contrôle de la température sur l'absorption de CO2 depuis la fin des années 1990. Ici, sur la base des enregistrements de concentration de CO2 atmosphérique in situ du site de l'observatoire Barrow, nous avons constaté un ralentissement de la tendance à la hausse de l'amplitude du CO2 atmosphérique des années 1990 au milieu des années 2000. Ce phénomène était associé à la diminution en pause de la concentration minimale de CO2 ([CO2]min), qui était significativement corrélée au ralentissement du verdissement de la végétation et à l'extension de la longueur de la saison de croissance. Nous avons ensuite montré que la verdure de la végétation et la longueur de la saison de croissance étaient positivement corrélées avec la température du printemps mais pas celle de l'automne sur les terres du nord. En outre, de telles dépendances asymétriques de la croissance de la végétation sur la température du printemps et de l'automne ne peuvent pas être capturées par les modèles de biosphère terrestre de pointe. Ces résultats indiquent que les réponses de la croissance de la végétation au réchauffement du printemps et de l'automne sont asymétriques et soulignent la nécessité d'améliorer la phénologie de l'automne dans les modèles de prévision du cycle saisonnier de la concentration atmosphérique de CO2. El mayor crecimiento de la vegetación por el calentamiento climático desempeña un papel fundamental en la amplificación del ciclo estacional del CO2 atmosférico en las tierras del norte (>50° N) desde la década de 1960. Sin embargo, la correlación entre el crecimiento de la vegetación, la temperatura y la amplitud estacional de la concentración atmosférica de CO2 se ha vuelto difícil de alcanzar con la tendencia creciente lenta del crecimiento de la vegetación y el control debilitado de la temperatura en la absorción de CO2 desde finales de la década de 1990. Aquí, con base en los registros de concentración de CO2 atmosférico in situ del sitio del observatorio de Barrow, encontramos una desaceleración en la tendencia creciente de la amplitud del CO2 atmosférico desde la década de 1990 hasta mediados de la década de 2000. Este fenómeno se asoció con la disminución pausada de la concentración mínima de CO2 ([CO2]min), que se correlacionó significativamente con la desaceleración del reverdecimiento de la vegetación y la extensión de la duración de la temporada de crecimiento. Luego demostramos que tanto el verdor de la vegetación como la duración de la temporada de crecimiento se correlacionaban positivamente con la temperatura de primavera pero no de otoño en las tierras del norte. Además, tales dependencias asimétricas del crecimiento de la vegetación en la temperatura de primavera y otoño no pueden ser capturadas por los modelos de biosfera terrestre de última generación. Estos hallazgos indican que las respuestas del crecimiento de la vegetación al calentamiento de primavera y otoño son asimétricas, y resaltan la necesidad de mejorar la fenología del otoño en los modelos para predecir el ciclo estacional de la concentración atmosférica de CO2. The enhanced vegetation growth by climate warming plays a pivotal role in amplifying the seasonal cycle of atmospheric CO2 at northern lands (>50° N) since 1960s. However, the correlation between vegetation growth, temperature and seasonal amplitude of atmospheric CO2 concentration have become elusive with the slowed increasing trend of vegetation growth and weakened temperature control on CO2 uptake since late 1990s. Here, based on in situ atmospheric CO2 concentration records from the Barrow observatory site, we found a slowdown in the increasing trend of the atmospheric CO2 amplitude from 1990s to mid-2000s. This phenomenon was associated with the paused decrease in the minimum CO2 concentration ([CO2]min), which was significantly correlated with the slowdown of vegetation greening and growing-season length extension. We then showed that both the vegetation greenness and growing-season length were positively correlated with spring but not autumn temperature over the northern lands. Furthermore, such asymmetric dependences of vegetation growth upon spring and autumn temperature cannot be captured by the state-of-art terrestrial biosphere models. These findings indicate that the responses of vegetation growth to spring and autumn warming are asymmetric, and highlight the need of improving autumn phenology in the models for predicting seasonal cycle of atmospheric CO2 concentration. يلعب نمو الغطاء النباتي المعزز بسبب الاحترار المناخي دورًا محوريًا في تضخيم الدورة الموسمية لثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي في الأراضي الشمالية (>50درجة شمالًا) منذ الستينيات. ومع ذلك، فإن العلاقة بين نمو الغطاء النباتي ودرجة الحرارة والسعة الموسمية لتركيز ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي أصبحت بعيدة المنال مع تباطؤ الاتجاه المتزايد لنمو الغطاء النباتي وضعف التحكم في درجة الحرارة عند امتصاص ثاني أكسيد الكربون منذ أواخر التسعينيات. هنا، بناءً على سجلات تركيز ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي في الموقع من موقع مرصد بارو، وجدنا تباطؤًا في الاتجاه المتزايد لسعة ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي من التسعينيات إلى منتصف العقد الأول من القرن الحادي والعشرين. ارتبطت هذه الظاهرة بالانخفاض المتوقف مؤقتًا في الحد الأدنى لتركيز ثاني أكسيد الكربون ([CO2]min)، والذي ارتبط بشكل كبير بتباطؤ تخضير الغطاء النباتي وتمديد طول موسم النمو. ثم أظهرنا أن كل من خضرة الغطاء النباتي وطول موسم النمو كانا مرتبطين بشكل إيجابي مع درجة حرارة الربيع ولكن ليس الخريف على الأراضي الشمالية. علاوة على ذلك، لا يمكن التقاط الاعتمادات غير المتماثلة لنمو الغطاء النباتي على درجة حرارة الربيع والخريف من خلال نماذج المحيط الحيوي الأرضية الحديثة. تشير هذه النتائج إلى أن استجابات نمو الغطاء النباتي لارتفاع درجة حرارة الربيع والخريف غير متماثلة، وتسلط الضوء على الحاجة إلى تحسين فينولوجيا الخريف في نماذج التنبؤ بالدورة الموسمية لتركيز ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي.

AbstractPlants use only a fraction of their photosynthetically derived carbon for biomass production (BP). The biomass production efficiency (BPE), defined as the ratio of BP to photosynthesis, and its variation across and within vegetation types is poorly understood, which hinders our capacity to accurately estimate carbon turnover times and carbon sinks. Here, we present a new global estimation of BPE obtained by combining field measurements from 113 sites with 14 carbon cycle models. Our best estimate of global BPE is 0.41 ± 0.05, excluding cropland. The largest BPE is found in boreal forests (0.48 ± 0.06) and the lowest in tropical forests (0.40 ± 0.04). Carbon cycle models overestimate BPE, although models with carbon–nitrogen interactions tend to be more realistic. Using observation‐based estimates of global photosynthesis, we quantify the global BP of non‐cropland ecosystems of 41 ± 6 Pg C/year. This flux is less than net primary production as it does not contain carbon allocated to symbionts, used for exudates or volatile carbon compound emissions to the atmosphere. Our study reveals a positive bias of 24 ± 11% in the model‐estimated BP (10 of 14 models). When correcting models for this bias while leaving modeled carbon turnover times unchanged, we found that the global ecosystem carbon storage change during the last century is decreased by 67% (or 58 Pg C).

Large quantities of organic carbon are stored in frozen soils (permafrost) within Arctic and sub-Arctic regions. A warming climate can induce environmental changes that accelerate the microbial breakdown of organic carbon and the release of the greenhouse gases carbon dioxide and methane. This feedback can accelerate climate change, but the magnitude and timing of greenhouse gas emission from these regions and their impact on climate change remain uncertain. Here we find that current evidence suggests a gradual and prolonged release of greenhouse gas emissions in a warming climate and present a research strategy with which to target poorly understood aspects of permafrost carbon dynamics.

L'amplitude du cycle saisonnier (ACS) du taux d'échange dioxyde de carbone (CO2) atmosphère-écosystème est une mesure utile de la réactivité de la biosphère terrestre aux variations environnementales. Il n'est cependant pas clair quels mécanismes sous-jacents sont responsables de la tendance à la hausse observée du SCA dans la concentration atmosphérique de CO2. À l'aide des données de sortie du Multi-scale Terrestrial Model Intercomparison Project (MsTMIP), nous avons étudié dans quelle mesure le SCA de l'échange de CO2 atmosphère-écosystème a été simulé avec 15 modèles d'écosystèmes terrestres contemporains au cours de la période 1901–2010. En outre, nous avons tenté d'évaluer les contributions de mécanismes potentiels tels que le CO2 atmosphérique, le climat, l'utilisation des terres et les dépôts d'azote, à l'aide d'expériences factorielles utilisant différentes combinaisons de données de forçage. Dans des conditions contemporaines, le SCA simulé à l'échelle mondiale du flux net cumulé de carbone de l'écosystème de la plupart des modèles était comparable en ampleur au SCA des concentrations atmosphériques de CO2. Les résultats des expériences de simulation factorielle ont montré que le CO2 atmosphérique élevé exerçait une forte influence sur l'amplification de la saisonnalité. Lorsque le modèle a pris en compte non seulement le changement climatique, mais également les changements dans l'utilisation des terres et le CO2 atmosphérique, la majorité des modèles ont montré des tendances d'amplification des SCA de la photosynthèse, de la respiration et de la production nette de l'écosystème (+0,19 % à +0,50 % an−1). Dans le cas du changement d'affectation des terres, il était difficile de séparer la contribution de la gestion agricole au SCA en raison des insuffisances des données et des modèles. L'amplification simulée de l'ACS était approximativement compatible avec les preuves observationnelles de l'ACS dans les concentrations atmosphériques de CO2. De grandes différences entre les modèles sont toutefois restées dans les tendances mondiales simulées et les schémas spatiaux des échanges de CO2. D'autres études sont nécessaires pour identifier une explication cohérente des tendances d'amplification simulées et observées, y compris leurs mécanismes sous-jacents. Néanmoins, cette étude impliquait que la surveillance de la saisonnalité des écosystèmes fournirait des informations utiles sur la dynamique des écosystèmes. La amplitud del ciclo estacional (ACE) del tipo de cambio atmósfera-dióxido de carbono (CO2) del ecosistema es una métrica útil de la capacidad de respuesta de la biosfera terrestre a las variaciones ambientales. Sin embargo, no está claro qué mecanismos subyacentes son responsables de la tendencia creciente observada de SCA en la concentración atmosférica de CO2. Utilizando los datos de salida del Proyecto de Intercomparación de Modelos Terrestres Multiescala (MsTMIP), investigamos qué tan bien se simuló el SCA del intercambio de CO2 entre la atmósfera y el ecosistema con 15 modelos de ecosistemas terrestres contemporáneos durante el período 1901–2010. Además, intentamos evaluar las contribuciones de posibles mecanismos como el CO2 atmosférico, el clima, el uso de la tierra y la deposición de nitrógeno, a través de experimentos factoriales utilizando diferentes combinaciones de datos de forzamiento. En condiciones contemporáneas, el SCA simulado a escala global del flujo neto acumulado de carbono del ecosistema de la mayoría de los modelos fue comparable en magnitud con el SCA de las concentraciones atmosféricas de CO2. Los resultados de los experimentos de simulación factorial mostraron que el CO2 atmosférico elevado ejercía una fuerte influencia en la amplificación de la estacionalidad. Cuando el modelo consideró no solo el cambio climático, sino también el uso de la tierra y los cambios de CO2 atmosférico, la mayoría de los modelos mostraron tendencias de amplificación de los SCA de fotosíntesis, respiración y producción neta del ecosistema (+0,19 % a +0,50 % año−1). En el caso del cambio de uso de la tierra, fue difícil separar la contribución de la gestión agrícola a la ACS debido a las deficiencias tanto en los datos como en los modelos. La amplificación simulada de SCA fue aproximadamente consistente con la evidencia observada de SCA en concentraciones atmosféricas de CO2. Sin embargo, se mantuvieron grandes diferencias intermodales en las tendencias globales simuladas y los patrones espaciales de los intercambios de CO2. Se requieren más estudios para identificar una explicación coherente de las tendencias de amplificación simuladas y observadas, incluidos sus mecanismos subyacentes. Sin embargo, este estudio implicó que el monitoreo de la estacionalidad de los ecosistemas proporcionaría información útil sobre la dinámica de los ecosistemas. The seasonal-cycle amplitude (SCA) of the atmosphere–ecosystem carbon dioxide (CO2) exchange rate is a useful metric of the responsiveness of the terrestrial biosphere to environmental variations. It is unclear, however, what underlying mechanisms are responsible for the observed increasing trend of SCA in atmospheric CO2 concentration. Using output data from the Multi-scale Terrestrial Model Intercomparison Project (MsTMIP), we investigated how well the SCA of atmosphere–ecosystem CO2 exchange was simulated with 15 contemporary terrestrial ecosystem models during the period 1901–2010. Also, we made attempt to evaluate the contributions of potential mechanisms such as atmospheric CO2, climate, land-use, and nitrogen deposition, through factorial experiments using different combinations of forcing data. Under contemporary conditions, the simulated global-scale SCA of the cumulative net ecosystem carbon flux of most models was comparable in magnitude with the SCA of atmospheric CO2 concentrations. Results from factorial simulation experiments showed that elevated atmospheric CO2 exerted a strong influence on the seasonality amplification. When the model considered not only climate change but also land-use and atmospheric CO2 changes, the majority of the models showed amplification trends of the SCAs of photosynthesis, respiration, and net ecosystem production (+0.19 % to +0.50 % yr−1). In the case of land-use change, it was difficult to separate the contribution of agricultural management to SCA because of inadequacies in both the data and models. The simulated amplification of SCA was approximately consistent with the observational evidence of the SCA in atmospheric CO2 concentrations. Large inter-model differences remained, however, in the simulated global tendencies and spatial patterns of CO2 exchanges. Further studies are required to identify a consistent explanation for the simulated and observed amplification trends, including their underlying mechanisms. Nevertheless, this study implied that monitoring of ecosystem seasonality would provide useful insights concerning ecosystem dynamics. تعد سعة الدورة الموسمية (SCA) لسعر صرف ثاني أكسيد الكربون في النظام البيئي للغلاف الجوي (CO2) مقياسًا مفيدًا لاستجابة المحيط الحيوي الأرضي للتغيرات البيئية. ومع ذلك، ليس من الواضح ما هي الآليات الأساسية المسؤولة عن الاتجاه المتزايد الملحوظ في تركيز ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي. باستخدام بيانات المخرجات من مشروع المقارنة البينية للنموذج الأرضي متعدد المقاييس (MsTMIP)، قمنا بالتحقيق في مدى محاكاة تبادل ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي مع 15 نموذجًا معاصرًا للنظام الإيكولوجي الأرضي خلال الفترة 1901–2010. كما حاولنا تقييم مساهمات الآليات المحتملة مثل ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي والمناخ واستخدام الأراضي وترسب النيتروجين، من خلال تجارب العوامل باستخدام مجموعات مختلفة من فرض البيانات. في ظل الظروف المعاصرة، كانت محاكاة تركيز ثاني أكسيد الكربون على المستوى العالمي لتدفق الكربون الصافي التراكمي للنظام الإيكولوجي لمعظم النماذج قابلة للمقارنة من حيث الحجم مع تركيزات ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي. أظهرت نتائج تجارب محاكاة العوامل أن ارتفاع ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي كان له تأثير قوي على التضخيم الموسمي. عندما نظر النموذج ليس فقط في تغير المناخ ولكن أيضًا في استخدام الأراضي وتغيرات ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي، أظهرت غالبية النماذج اتجاهات تضخيم SCAs للتمثيل الضوئي والتنفس وصافي إنتاج النظام البيئي (+0.19 ٪ إلى +0.50 ٪ سنة-1). في حالة تغيير استخدام الأراضي، كان من الصعب فصل مساهمة الإدارة الزراعية في هيئة الأوراق المالية والسلع بسبب أوجه القصور في كل من البيانات والنماذج. كان التضخيم المحاكى لـ SCA متسقًا تقريبًا مع الأدلة الرصدية لـ SCA في تركيزات ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي. ومع ذلك، لا تزال هناك اختلافات كبيرة بين النماذج في الاتجاهات العالمية المحاكاة والأنماط المكانية لتبادل ثاني أكسيد الكربون. هناك حاجة إلى مزيد من الدراسات لتحديد تفسير متسق لاتجاهات التضخيم المحاكاة والملاحظة، بما في ذلك آلياتها الأساسية. ومع ذلك، أشارت هذه الدراسة إلى أن رصد موسمية النظام الإيكولوجي من شأنه أن يوفر رؤى مفيدة بشأن ديناميات النظام الإيكولوجي.

Global change is one of the most serious threats to human society and, as such, is a core research agenda around the world. Building on a long history of fundamental ecological research, a new cohort of early‐career scientists—armed with novel methodologies and cutting‐edge technology—is poised to confront the critical questions on the future of global change. Addressing these questions poses a grand challenge for scientists in ecology: the stakes are high, yet confidence in the level of knowledge in some areas remains critically low. Thus, the direction and future success of global change research depends to a significant degree on promoting and fostering the work of next generation ecologists undertaking some of the most important scientific work of our time.

La variabilidad climática asociada con El Niño-Oscilación del Sur (Enos) y sus consiguientes impactos en la variabilidad interanual del sumidero de carbono terrestre se ha utilizado como base para investigar las respuestas del ciclo del carbono a la variabilidad climática de manera más amplia y para informar la sensibilidad del presupuesto de carbono tropical al cambio climático. Estudios anteriores han presentado puntos de vista opuestos sobre si la temperatura o la precipitación es el factor principal que impulsa la respuesta del sumidero de carbono terrestre a Enos. Aquí, mostramos que el controlador dominante varía con la fase ENSO. Mientras que la temperatura tropical explica la dinámica del sumidero después de las condiciones de El Niño (rTG,P = 0,59, p < 0,01), el sumidero posterior a La Niña es impulsado en gran medida por la precipitación tropical (rPG,T =-0,46, p = 0,04). Este hallazgo apunta a una interacción dependiente de la fase ENSO entre la disponibilidad de agua y la temperatura en el control de la respuesta de absorción de carbono a las variaciones climáticas en los ecosistemas tropicales. Además, encontramos que ninguno de un conjunto de diez modelos de biosfera terrestre contemporáneos captura estas respuestas dependientes de la fase ENSO, lo que destaca una incertidumbre clave en el modelado de los impactos climáticos en el futuro del sumidero mundial de carbono terrestre. La variabilité climatique associée à l'oscillation australe El Niño (ENSO) et ses impacts sur la variabilité interannuelle des puits de carbone terrestres ont été utilisés comme base pour étudier les réponses du cycle du carbone à la variabilité climatique plus largement, et pour informer la sensibilité du budget carbone tropical au changement climatique. Des études antérieures ont présenté des points de vue opposés sur la question de savoir si la température ou les précipitations sont le principal facteur déterminant la réponse du puits de carbone terrestre à l'ENSO. Ici, nous montrons que le facteur dominant varie avec la phase ENSO. Alors que la température tropicale explique la dynamique du puits suite aux conditions El Niño (rTG,P = 0,59, p < 0,01), le puits post La Niña est largement entraîné par les précipitations tropicales (rPG,T = −0,46, p = 0,04). Cette constatation indique une interaction dépendante de la phase ENSO entre la disponibilité de l'eau et la température dans le contrôle de la réponse de l'absorption de carbone aux variations climatiques dans les écosystèmes tropicaux. Nous constatons en outre qu'aucun des dix modèles contemporains de la biosphère terrestre ne capture ces réponses dépendantes de la phase ENSO, mettant en évidence une incertitude clé dans la modélisation des impacts climatiques sur l'avenir du puits de carbone terrestre mondial. Climate variability associated with the El Niño-Southern Oscillation (ENSO) and its consequent impacts on land carbon sink interannual variability have been used as a basis for investigating carbon cycle responses to climate variability more broadly, and to inform the sensitivity of the tropical carbon budget to climate change. Past studies have presented opposing views about whether temperature or precipitation is the primary factor driving the response of the land carbon sink to ENSO. Here, we show that the dominant driver varies with ENSO phase. Whereas tropical temperature explains sink dynamics following El Niño conditions (rTG,P = 0.59, p < 0.01), the post La Niña sink is driven largely by tropical precipitation (rPG,T = −0.46, p = 0.04). This finding points to an ENSO-phase-dependent interplay between water availability and temperature in controlling the carbon uptake response to climate variations in tropical ecosystems. We further find that none of a suite of ten contemporary terrestrial biosphere models captures these ENSO-phase-dependent responses, highlighting a key uncertainty in modeling climate impacts on the future of the global land carbon sink. تم استخدام التقلبات المناخية المرتبطة بالتذبذب الجنوبي لظاهرة النينيو (ENSO) وما يترتب عليها من آثار على التقلبات السنوية لمصارف الكربون الأرضية كأساس للتحقيق في استجابات دورة الكربون لتقلبات المناخ على نطاق أوسع، ولإبلاغ حساسية ميزانية الكربون المدارية لتغير المناخ. قدمت الدراسات السابقة وجهات نظر متعارضة حول ما إذا كانت درجة الحرارة أو هطول الأمطار هي العامل الرئيسي الذي يدفع استجابة بالوعة الكربون الأرضية إلى ENSO. هنا، نظهر أن المحرك المهيمن يختلف باختلاف مرحلة ENSO. في حين أن درجة الحرارة المدارية تفسر ديناميكيات الحوض بعد ظروف النينيو (rTG،P = 0.59، P < 0.01)، فإن حوض ما بعد النينيا مدفوع إلى حد كبير بهطول الأمطار المدارية (rPG،T = -0.46، P = 0.04). تشير هذه النتيجة إلى تفاعل يعتمد على مرحلة ENSO بين توافر المياه ودرجة الحرارة في التحكم في استجابة امتصاص الكربون للتغيرات المناخية في النظم الإيكولوجية المدارية. كما نجد أن أياً من مجموعة من عشرة نماذج معاصرة للمحيط الحيوي الأرضي لا يلتقط هذه الاستجابات التي تعتمد على مرحلة ENSO، مما يسلط الضوء على عدم اليقين الرئيسي في نمذجة التأثيرات المناخية على مستقبل بالوعة الكربون الأرضية العالمية.