• Energy Research

Abstract. Boreal fires have immediate effects on regional carbon budgets by emitting CO2 into the atmosphere at the time of burning, but also have legacy effects by initiating a long-term carbon sink during post-fire vegetation recovery. Quantifying these different effects on the current-day pan-boreal (44–84° N) carbon balance and relative contributions of legacy sinks by past fires is important for understanding and predicting the carbon dynamics in this region. Here we used the global dynamic vegetation model ORCHIDEE-SPITFIRE to attribute the contributions by fires in different decades of 1850–2009 to the carbon balance of 2000–2009, taking into account the atmospheric CO2 change and climate change since 1850. The fire module of ORCHIDEE-SPITFIRE was turned off in each decade sequentially, and turned on before and after, to model the legacy carbon trajectory by fires in each past decade. We found that, unsurprisingly, fires that occured in 2000–2009 are a carbon source (−0.17 Pg C yr−1) for the 2000s-decade carbon balance, whereas fires in all decades before 2000 contribute carbon sinks with a collective contribution of 0.23 Pg C yr−1. This leaves a net fire sink effect of 0.06 Pg C yr−1, or 6.3 % of the simulated regional carbon sink (0.95 Pg C yr−1). Further, fires with an age of 10–40 years (i.e. those occurred during 1960–1999) contribute more than half of the total sink effect of fires. The small net sink effect of fires indicates that current-day fire emissions are roughly in balance with legacy sinks. The future role of fires in the regional carbon balance remains uncertain and will depend on whether changes in fires and associated carbon emissions will exceed the enhanced sink effects of previous fires, both being strongly affected by global change.

Abstract. Boreal fires have immediate effects on regional carbon budgets by emitting CO2 into the atmosphere at the time of burning, but they also have legacy effects by initiating a long-term carbon sink during post-fire vegetation recovery. Quantifying these different effects on the current-day pan-boreal (44–84° N) carbon balance and quantifying relative contributions of legacy sinks by past fires is important for understanding and predicting the carbon dynamics in this region. Here we used the global dynamic vegetation model ORCHIDEE–SPITFIRE (Organising Carbon and Hydrology In Dynamic Ecosystems – SPread and InTensity of FIRE) to attribute the contributions by fires in different decades between 1850 and 2009 to the carbon balance of 2000–2009, taking into account the atmospheric CO2 change and climate change since 1850. The fire module of ORCHIDEE–SPITFIRE was turned off for each decade in turn and was also turned off before and after the decade in question in order to model the legacy carbon trajectory by fires in each past decade. We found that, unsurprisingly, fires that occurred in 2000–2009 are a carbon source (−0.17 Pg C yr−1) for the carbon balance of 2000–2009, whereas fires in all decades before 2000 contribute carbon sinks with a collective contribution of 0.23 Pg C yr−1. This leaves a net fire sink effect of 0.06 Pg C yr−1, or 6.3 % of the simulated regional carbon sink (0.95 Pg C yr−1). Further, fires with an age of 10–40 years (i.e., those that occurred during 1960–1999) contribute more than half of the total sink effect of fires. The small net sink effect of fires indicates that current-day fire emissions are roughly balanced out by legacy sinks. The future role of fires in the regional carbon balance remains uncertain and will depend on whether changes in fires and associated carbon emissions will exceed the enhanced sink effects of previous fires, both being strongly affected by global change.

Abstract Resolving regional carbon budgets is critical for informing land-based mitigation policy. For nine regions covering nearly the whole globe, we collected inventory estimates of carbon-stock changes complemented by satellite estimates of biomass changes where inventory data are missing. The net land–atmospheric carbon exchange (NEE) was calculated by taking the sum of the carbon-stock change and lateral carbon fluxes from crop and wood trade, and riverine-carbon export to the ocean. Summing up NEE from all regions, we obtained a global ‘bottom-up’ NEE for net land anthropogenic CO2 uptake of –2.2 ± 0.6 PgC yr−1 consistent with the independent top-down NEE from the global atmospheric carbon budget during 2000–2009. This estimate is so far the most comprehensive global bottom-up carbon budget accounting, which set up an important milestone for global carbon-cycle studies. By decomposing NEE into component fluxes, we found that global soil heterotrophic respiration amounts to a source of CO2 of 39 PgC yr−1 with an interquartile of 33–46 PgC yr−1—a much smaller portion of net primary productivity than previously reported.

Abstract. Bioenergy crop cultivation for lignocellulosic biomass is increasingly important for future climate mitigation, and it is assumed on large scales in Integrated Assessment Models (IAMs) that develop future land use change scenarios consistent with the dual constraint of sufficient food production and deep de-carbonization for low climate warming targets. In most global vegetation models, there is no specific representation of crops producing lignocellulosic biomass, resulting in simulation biases of biomass yields and other carbon outputs, and in turn of future bioenergy production. Here, we introduced four new plant functional types (PFTs) to represent four major lignocellulosic bioenergy crops, eucalypt, poplar and willow, Miscanthus, and switchgrass, in the global process-based vegetation model, ORCHIDEE. New parameterizations of photosynthesis, carbon allocation and phenology are proposed based on a compilation of field measurements. A specific harvest module is further added to the model to simulate the rotation of bioenergy tree PFTs based on their age dynamics. The resulting ORCHIDEE-MICT-BIOENERGY model is applied at 296 locations where field measurements of harvested biomass are available for different bioenergy crops. The new model can generally reproduce the global bioenergy crop yield observations. Biases of the model results related to grid-based simulations versus the point-scale measurements and the lack of fertilization and fertilization management practices in the model are discussed. This study sheds light on the importance of properly representing bioenergy crops for simulating their yields. The parameterizations of bioenergy crops presented here are generic enough to be applicable in other global vegetation models.

Le but de cette étude est d'évaluer les huit modèles de biome ISIMIP2a par rapport à des estimations indépendantes des flux nets de carbone à long terme (c'est-à-dire la productivité nette du biome, NBP) sur les écosystèmes terrestres au cours des quatre dernières décennies (1971–2010). Nous évaluons le NBP mondial modélisé par rapport à 1) le puits terrestre résiduel mondial (RLS) mis à jour plus les émissions liées à l'utilisation des terres (ELUC) du Global Carbon Project (GCP), présenté comme R + L dans cette étude par Le Quéré et al (2015), et 2) les flux de CO2 terrestre provenant de deux systèmes d'inversion atmosphérique : Jena CarboScope s81_v3.8 et CAMS v15r2, appelés FJena et FCAMS respectivement. L'ensemble de modèles - moyenne NBP (qui comprend sept modèles avec changement d'affectation des terres) est plus élevé que mais dans l'incertitude de R + L, tandis que la tendance NBP positive simulée au cours des 30 dernières années est inférieure à celle de R + L et des deux systèmes d'inversion. Les modèles de biome ISIMIP2a capturent bien la variation interannuelle des flux nets mondiaux de carbone des écosystèmes terrestres. La NBP tropicale représente 31 ± 17 % de la NBP totale mondiale au cours des dernières décennies, et la variation d'une année à l'autre de la NBP tropicale contribue pour l'essentiel à la variation interannuelle de la NBP mondiale. Selon les modèles, l'augmentation de la productivité primaire nette (NPP) a été la principale cause de l'augmentation générale de la NBP. Des anomalies NBP globales significatives à partir de la moyenne à long terme entre les deux phases des événements El Niño Southern Oscillation (ENSO) sont simulées par tous les modèles (p < 0,05), ce qui est cohérent avec l'estimation R + L (p = 0,06), également principalement attribuée à des anomalies NPP, plutôt qu'à des changements dans la respiration hétérotrophique (Rh). Les anomalies mondiales de la centrale nucléaire et de la centrale nucléaire nucléaire pendant les événements ENSO sont dominées par leurs anomalies dans les régions tropicales touchées par la variabilité du climat tropical. Les régressions multiples entre les variations interannuelles de R + L, FJena et FCAMS et les variations du climat tropical révèlent une réponse négative significative des flux nets mondiaux de carbone des écosystèmes terrestres à la variation de la température annuelle moyenne tropicale, et une réponse non significative à la variation des précipitations annuelles tropicales. Selon les modèles, les précipitations tropicales sont un facteur plus important, ce qui suggère que certains modèles ne saisissent pas correctement les rôles des précipitations et des changements de température. El propósito de este estudio es evaluar los ocho modelos de bioma ISIMIP2a contra estimaciones independientes de flujos netos de carbono a largo plazo (es decir, Productividad Neta del Bioma, NBP) sobre ecosistemas terrestres durante las últimas cuatro décadas (1971–2010). Evaluamos el NBP global modelado contra 1) el sumidero de tierra residual (RLS) global actualizado más las emisiones de uso de la tierra (ELUC) del Proyecto Global de Carbono (GCP), presentado como R + L en este estudio por Le Quéré et al (2015), y 2) los flujos de CO2 terrestre de dos sistemas de inversión atmosférica: Jena CarboScope s81_v3.8 y CAMS v15r2, denominados FJena y FCAMS respectivamente. La media del conjunto de modelos NBP (que incluye siete modelos con cambio de uso de la tierra) es mayor que, pero dentro de la incertidumbre de R + L, mientras que la tendencia positiva simulada de NBP en los últimos 30 años es menor que la de R + L y de los dos sistemas de inversión. Los modelos de bioma ISIMIP2a capturan bien la variación interanual de los flujos netos globales de carbono del ecosistema terrestre. El NBP tropical representa el 31 ± 17% del NBP total global durante las últimas décadas, y la variación interanual del NBP tropical contribuye con la mayor parte de la variación interanual del NBP global. Según los modelos, el aumento de la productividad primaria neta (PPN) fue la causa principal del aumento general de la PNB. Todos los modelos simulan anomalías de NBP globales significativas de la media a largo plazo entre las dos fases de los eventos de El Niño Oscilación del Sur (Enos) (p < 0.05), lo cual es consistente con la estimación de R + L (p = 0.06), también atribuida principalmente a anomalías de NPP, más que a cambios en la respiración heterótrofa (Rh). Las anomalías globales de NPP y NBP durante los eventos Enos están dominadas por sus anomalías en las regiones tropicales afectadas por la variabilidad del clima tropical. Las múltiples regresiones entre las variaciones interanuales de R + L, FJena y FCAMS y las variaciones del clima tropical revelan una respuesta negativa significativa de los flujos netos globales de carbono del ecosistema terrestre a la variación de la temperatura media anual tropical, y una respuesta no significativa a la variación de la precipitación anual tropical. Según los modelos, la precipitación tropical es un impulsor más importante, lo que sugiere que algunos modelos no capturan adecuadamente los roles de la precipitación y los cambios de temperatura. The purpose of this study is to evaluate the eight ISIMIP2a biome models against independent estimates of long-term net carbon fluxes (i.e. Net Biome Productivity, NBP) over terrestrial ecosystems for the recent four decades (1971–2010). We evaluate modeled global NBP against 1) the updated global residual land sink (RLS) plus land use emissions (ELUC) from the Global Carbon Project (GCP), presented as R + L in this study by Le Quéré et al (2015), and 2) the land CO2 fluxes from two atmospheric inversion systems: Jena CarboScope s81_v3.8 and CAMS v15r2, referred to as FJena and FCAMS respectively. The model ensemble-mean NBP (that includes seven models with land-use change) is higher than but within the uncertainty of R + L, while the simulated positive NBP trend over the last 30 yr is lower than that from R + L and from the two inversion systems. ISIMIP2a biome models well capture the interannual variation of global net terrestrial ecosystem carbon fluxes. Tropical NBP represents 31 ± 17% of global total NBP during the past decades, and the year-to-year variation of tropical NBP contributes most of the interannual variation of global NBP. According to the models, increasing Net Primary Productivity (NPP) was the main cause for the generally increasing NBP. Significant global NBP anomalies from the long-term mean between the two phases of El Niño Southern Oscillation (ENSO) events are simulated by all models (p < 0.05), which is consistent with the R + L estimate (p = 0.06), also mainly attributed to NPP anomalies, rather than to changes in heterotrophic respiration (Rh). The global NPP and NBP anomalies during ENSO events are dominated by their anomalies in tropical regions impacted by tropical climate variability. Multiple regressions between R + L, FJena and FCAMS interannual variations and tropical climate variations reveal a significant negative response of global net terrestrial ecosystem carbon fluxes to tropical mean annual temperature variation, and a non-significant response to tropical annual precipitation variation. According to the models, tropical precipitation is a more important driver, suggesting that some models do not capture the roles of precipitation and temperature changes adequately. الغرض من هذه الدراسة هو تقييم نماذج المناطق الأحيائية الثمانية ISIMIP2a مقابل التقديرات المستقلة لصافي تدفقات الكربون طويلة الأجل (أي صافي إنتاجية المناطق الأحيائية) على النظم الإيكولوجية الأرضية على مدى العقود الأربعة الأخيرة (1971–2010). نقوم بتقييم خطة العمل الوطنية العالمية المنمذجة مقابل 1) بالوعة الأراضي المتبقية العالمية المحدثة بالإضافة إلى انبعاثات استخدام الأراضي (ELUC) من مشروع الكربون العالمي (GCP)، والتي تم تقديمها على أنها R + L في هذه الدراسة من قبل Le Quéré et al (2015)، و 2) تدفقات ثاني أكسيد الكربون الأرضية من نظامين لعكس الغلاف الجوي: Jena CarboScope s81_v3.8 و CAMS v15r2، المشار إليها باسم FJena و FCAMS على التوالي. إن مجموعة النماذج - تعني NBP (التي تتضمن سبعة نماذج مع تغيير استخدام الأراضي) أعلى من ولكن ضمن عدم اليقين من R + L، في حين أن اتجاه NBP الإيجابي المحاكي على مدار الثلاثين عامًا الماضية أقل من ذلك من R + L ومن نظامي الانعكاس. تلتقط نماذج المناطق الأحيائية ISIMIP2a بشكل جيد التباين السنوي لتدفقات الكربون الصافية للنظام الإيكولوجي الأرضي العالمي. يمثل الناتج القومي الاستوائي 31 ± 17 ٪ من إجمالي الناتج القومي العالمي خلال العقود الماضية، ويساهم التباين من سنة إلى أخرى في الناتج القومي الاستوائي في معظم التباين السنوي في الناتج القومي العالمي. وفقًا للنماذج، كانت زيادة صافي الإنتاجية الأولية هي السبب الرئيسي لزيادة صافي الإنتاجية الأولية بشكل عام. تتم محاكاة حالات الشذوذ العالمية الكبيرة من المتوسط طويل الأجل بين مرحلتي أحداث التذبذب الجنوبي لظاهرة النينيو (ENSO) من خلال جميع النماذج (P < 0.05)، وهو ما يتوافق مع تقدير R + L (P = 0.06)، والذي يعزى أيضًا بشكل أساسي إلى حالات الشذوذ في NPP، بدلاً من التغيرات في التنفس غيري التغذية (Rh). تهيمن الشذوذات العالمية لمحطات الطاقة النووية ومحطات الطاقة الوطنية خلال أحداث ENSO على شذوذاتها في المناطق المدارية المتأثرة بتقلب المناخ المداري. تكشف الانحدارات المتعددة بين الاختلافات السنوية بين R + L و FJENA و FCAMS والتغيرات المناخية المدارية عن استجابة سلبية كبيرة لصافي تدفقات الكربون في النظام الإيكولوجي الأرضي العالمي لمتوسط التغير السنوي في درجة الحرارة المدارية، واستجابة غير كبيرة لتغير هطول الأمطار السنوي المداري. وفقًا للنماذج، يعد هطول الأمطار الاستوائية محركًا أكثر أهمية، مما يشير إلى أن بعض النماذج لا تلتقط أدوار هطول الأمطار وتغيرات درجة الحرارة بشكل كافٍ.