• Energy Research

Summary Land surface models (LSMs) typically use empirical functions to represent vegetation responses to soil drought. These functions largely neglect recent advances in plant ecophysiology that link xylem hydraulic functioning with stomatal responses to climate. We developed an analytical stomatal optimization model based on xylem hydraulics (SOX) to predict plant responses to drought. Coupling SOX to the Joint UK Land Environment Simulator (JULES) LSM, we conducted a global evaluation of SOX against leaf‐ and ecosystem‐level observations. SOX simulates leaf stomatal conductance responses to climate for woody plants more accurately and parsimoniously than the existing JULES stomatal conductance model. An ecosystem‐level evaluation at 70 eddy flux sites shows that SOX decreases the sensitivity of gross primary productivity (GPP) to soil moisture, which improves the model agreement with observations and increases the predicted annual GPP by 30% in relation to JULES. SOX decreases JULES root‐mean‐square error in GPP by up to 45% in evergreen tropical forests, and can simulate realistic patterns of canopy water potential and soil water dynamics at the studied sites. SOX provides a parsimonious way to incorporate recent advances in plant hydraulics and optimality theory into LSMs, and an alternative to empirical stress factors.

Contexte : La surveillance basée sur des placettes a fourni de nombreuses informations sur la diversité taxonomique et le stockage du carbone (C) dans les forêts tropicales de plaine du bassin amazonien. Cela a permis de mieux comprendre la relation entre la dynamique de la biomasse forestière des plaines et les facteurs du changement mondial, tels que le changement climatique et la concentration atmosphérique de CO 2. Beaucoup moins d'attention a été accordée aux écosystèmes montagneux d'Amérique du Sud qui comprennent les forêts montagnardes et la végétation alpine (páramo, puna, prairies des hautes Andes, zones humides et bruyère alpine).Ce complexe de végétation fournit une variété de services écosystémiques et forme un laboratoire naturel le long de divers gradients d'histoire/biogéographie physiographique, géologique et évolutive, et d'histoire de l'utilisation des terres.Images : Ici, nous passons en revue la compréhension empirique existante et les approches basées sur des modèles pour quantifier la contribution des écosystèmes de montagne à la fourniture de services écosystémiques dans le contexte socio-écologique en évolution rapide des montagnes sud-américaines.L' objectif de cet article est de définir une feuille de route générale pour la mise en œuvre de la végétation de montagne dans des modèles dynamiques de végétation mondiale (DGVM) à utiliser dans les modèles du système terrestre (ESM), sur la base de notre compréhension actuelle de leur structure et de leur fonction et de leur réactivité aux facteurs du changement global.Nous identifions également les processus de la limite des arbres, critiques dans les écosystèmes de montagne, comme des éléments manquants clés dans les DGVM/mes, et explorons ainsi en outre un modèle de limite des arbres.Méthodes : Un bilan de la disponibilité des données empiriques a été entrepris à partir de huit sites de recherche le long des Andes et dans le sud-est du Brésil.Parmi huit sites, deux (un au Venezuela et un au Brésil) avaient potentiellement des données climatiques, écologiques et écophysiologiques convenant au paramétrage d'une DGVM.Les données sur la biomasse des arbres étaient disponibles pour six sites.Une évaluation préliminaire de la DGVM du Joint UK Land Environment Simulator (JULES) a été réalisée pour identifier les lacunes dans les données disponibles et leurs impacts sur le paramétrage et l'étalonnage du modèle.En outre, l'élévation potentielle de la limite des arbres déterminée par le climat a été modélisée pour vérifier la DGVM quant à sa capacité à identifier la transition entre la forêt montagnarde et la végétation alpine.Résultats : Les résultats de l'évaluation du modèle de surface terrestre JULES ont identifié les processus clés suivants dans les forêts montagnardes : diminution liée à la température de la production primaire nette, respiration et allocation à la biomasse aérienne et augmentation des stocks de C dans le sol avec l'altitude.Il y avait un accord variable entre la biomasse simulée et celles dérivées des mesures sur le terrain via des équations allométriques.Conclusions : Nous avons identifié des écarts majeurs entre la disponibilité des données et les besoins de modélisation basée sur les processus de la végétation de montagne sud-américaine et de sa dynamique dans les DGVM.Pour combler cet écart, nous proposons un réseau transdisciplinaire, composé de membres des communautés théoriques/de modélisation et scientifiques empiriques, pour étudier la dynamique naturelle des écosystèmes de montagne et leurs réponses aux facteurs de changement mondiaux au niveau local, régional et continental, dans un cadre de système socio-écologique.Les travaux présentés ici constituent la base de la conception de la collecte de données à partir des mesures sur le terrain et des stations de surveillance instrumentales pour paramétrer et vérifier les DGVM.Le réseau est conçu pour collaborer et compléter les recherches à long terme existantes Antecedentes: El monitoreo basado en parcelas ha arrojado mucha información sobre la diversidad taxonómica y el almacenamiento de carbono (C) en los bosques tropicales de tierras bajas de la cuenca amazónica. Esto ha resultado en una mejor comprensión de la relación entre la dinámica de la biomasa forestal de las tierras bajas y los impulsores del cambio global, como el cambio climático y la concentración atmosférica de CO 2. Se ha prestado mucha menos atención a los ecosistemas de montaña de América del Sur que comprenden bosques montanos y vegetación alpina (páramo, puna, pastizales altoandinos, humedales y brezales alpinos).Este complejo de vegetación proporciona una variedad de servicios ecosistémicos y forma un laboratorio natural a lo largo de varios gradientes fisiográficos, geológicos y evolutivos de historia/biogeografía e historia del uso de la tierra. Objetivos: Aquí, revisamos la comprensión empírica existente y los enfoques basados en modelos para cuantificar la contribución de los ecosistemas de montaña a la prestación de servicios ecosistémicos en el entorno socioecológico rápidamente cambiante de las montañas sudamericanas. El objetivo de este documento es esbozar una amplia hoja de ruta para la implementación de la vegetación de montaña en modelos dinámicos de vegetación global (DGVM) para su uso en Modelos del Sistema Terrestre (ESM), basados en nuestra comprensión actual de su estructura y función y de su capacidad de respuesta a los impulsores del cambio global. También identificamos los procesos arbóreos, críticos en los ecosistemas de montaña, como elementos clave que faltan en las DGVM/ESM, y por lo tanto exploramos además un modelo arbóreo. Métodos: Se realizó un inventario de la disponibilidad de datos empíricos de ocho sitios de investigación a lo largo de los Andes y en el sureste de Brasil. De los ocho sitios, dos (uno en Venezuela y otro en Brasil) tenían algunos datos climáticos, ecológicos y ecofisiológicos potencialmente adecuado para parametrizar una DGVM. Se disponía de datos de biomasa de árboles para seis sitios. Se realizó una evaluación preliminar de la DGVM del Simulador Conjunto de Medio Ambiente Terrestre del Reino Unido (JULES) para identificar lagunas en los datos disponibles y sus impactos en la parametrización y calibración del modelo. Además, se modeló la posible elevación determinada por el clima de la línea de árboles para verificar la DGVM en cuanto a su capacidad para identificar la transición entre el bosque montano y la vegetación alpina. Resultados: Los resultados de la evaluación del modelo de superficie terrestre de JULES identificaron los siguientes procesos clave en los bosques montanos: disminución relacionada con la temperatura en la producción primaria neta, la respiración y la asignación a la biomasa sobre el suelo y aumento de las poblaciones de suelo C con elevación. Hubo un acuerdo variable entre la biomasa simulada y las derivadas de las mediciones de campo a través de ecuaciones alométricas. Conclusiones: Identificamos grandes brechas entre la disponibilidad de datos y las necesidades de modelado basado en procesos de la vegetación de montaña sudamericana y su dinámica en las DGVM. Para cerrar esta brecha, proponemos una red transdisciplinaria, compuesta por miembros de las comunidades científicas teóricas/de modelado y empíricas, para estudiar la dinámica natural de los ecosistemas de montaña y sus respuestas a los impulsores del cambio global a nivel local, regional y continental, dentro de un marco de sistema socioecológico. El trabajo presentado aquí forma la base para el diseño de la recopilación de datos a partir de mediciones de campo y estaciones de monitoreo instrumental para parametrizar y verificar las DGVM. La red está diseñada para colaborar y complementar la investigación existente a largo plazo. Background: Plot-based monitoring has yielded much information on the taxonomic diversity and carbon (C) storage in tropical lowland forests of the Amazon basin.This has resulted in an improved understanding of the relationship between lowland forest biomass dynamics and global change drivers, such as climate change and atmospheric CO 2 concentration.Much less attention has been paid to the mountain ecosystems of South America that comprise montane forests and alpine vegetation (páramo, puna, high Andean grasslands, wetlands, and alpine heath).This vegetation complex provides a variety of ecosystem services and forms a natural laboratory along various physiographic, geological and evolutionary history/biogeography, and land use history gradients.Aims: Here, we review existing empirical understanding and model-based approaches to quantify the contribution of mountain ecosystems to ecosystem service provision in the rapidly changing socioecological setting of the South American mountains.The objective of this paper is to outline a broad road map for the implementation of mountain vegetation into dynamic global vegetation models (DGVM) for use in Earth System Models (ESM), based on our current understanding of their structure and function and of their responsiveness to global change drivers.We also identify treeline processes, critical in mountain ecosystems, as key missing elements in DGVMs/ESMs, and thus explore in addition a treeline model.Methods: Stocktaking of the availability of empirical data was undertaken from eight research sites along the Andes and in south-eastern Brazil.Out of eight sites, two (one each in Venezuela and Brazil) had some climate, ecological and ecophysiological data potentially suitable to parametrise a DGVM.Tree biomass data were available for six sites.A preliminary assessment of the Joint UK Land Environment Simulator (JULES) DGVM was made to identify gaps in available data and their impacts on model parametrisation and calibration.Additionally, the potential climate-determined elevation of the treeline was modelled to check the DGVM for its ability to identify the transition between the montane forest and alpine vegetation.Results: Outcomes of the evaluation of the JULES land surface model identified the following key processes in montane forests: temperature-related decrease in net primary production, respiration, and allocation to above-ground biomass and increase in soil C stocks with elevation.There was a variable agreement between simulated biomass and those derived from field measurements via allometric equations.Conclusions: We identified major gaps between data availability and the needs for process-based modelling of South American mountain vegetation and its dynamics in DGVMs.To bridge this gap, we propose a transdisciplinary network, composed of members of the theoretical/modelling and empirical scientific communities, to study the natural dynamics of mountain ecosystems and their responses to global change drivers locally, regionally and at the continental scale, within a social-ecological system framework.The work presented here forms the basis for the design of data collection from field measurements and instrumental monitoring stations to parametrise and verify DGVMs.The network is designed to collaborate with and complement existing long-term research معلومات أساسية: أسفر الرصد القائم على قطعة الأرض عن الكثير من المعلومات حول التنوع التصنيفي وتخزين الكربون (C) في غابات الأراضي المنخفضة الاستوائية في حوض الأمازون. وقد أدى ذلك إلى فهم أفضل للعلاقة بين ديناميات الكتلة الحيوية للغابات المنخفضة ومحركات التغير العالمي، مثل تغير المناخ وتركيز ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي. وقد تم إيلاء اهتمام أقل بكثير للنظم الإيكولوجية الجبلية في أمريكا الجنوبية التي تشمل الغابات الجبلية والغطاء النباتي في جبال الألب (بارامو، بونا، الأراضي العشبية في أعالي الأنديز، الأراضي الرطبة، وصحة جبال الألب). يوفر مجمع الغطاء النباتي هذا مجموعة متنوعة من خدمات النظام الإيكولوجي ويشكل مختبرًا طبيعيًا على طول مختلف التاريخ الفيزيائي والجيولوجي والتطوري/الجغرافيا الحيوية، وتدرجات تاريخ استخدام الأراضي. الأهداف: نستعرض هنا الفهم التجريبي الحالي والنهج القائمة على النماذج لقياس مساهمة النظم الإيكولوجية الجبلية في توفير خدمات النظام الإيكولوجي في البيئة الاجتماعية والبيئية المتغيرة بسرعة لجبال أمريكا الجنوبية. الهدف من هذه الورقة هو تحديد خريطة طريق واسعة لتنفيذ الغطاء النباتي الجبلي في نماذج نباتية عالمية ديناميكية (DGVM) لاستخدامها في نماذج نظام الأرض (ESM)، بناءً على فهمنا الحالي من هيكلها ووظيفتها واستجابتها لمحركات التغير العالمي. كما نحدد عمليات خطوط الأشجار، الحرجة في النظم الإيكولوجية الجبلية، كعناصر رئيسية مفقودة في DGVMs/ESMs، وبالتالي نستكشف بالإضافة إلى ذلك نموذج خط الأشجار. الأساليب: تم إجراء جرد لتوافر البيانات التجريبية من ثمانية مواقع بحثية على طول جبال الأنديز وفي جنوب شرق البرازيل. من بين ثمانية مواقع، كان لدى موقعين (واحد في كل من فنزويلا والبرازيل) بعض البيانات المناخية والبيئية والفسيولوجية البيئية المحتملة مناسبة لتحديد معالم DGVM. كانت بيانات الكتلة الحيوية الثلاثية متاحة لستة مواقع. تم إجراء تقييم أولي لمحاكي بيئة الأراضي المشترك في المملكة المتحدة (JULES) DGVM لتحديد الثغرات في البيانات المتاحة وتأثيراتها على تحديد معالم النموذج ومعايرته. بالإضافة إلى ذلك، تم نمذجة الارتفاع المحتمل المحدد بالمناخ لخط الأشجار للتحقق من DGVM لقدرته على تحديد الانتقال بين الغابة الجبلية والغطاء النباتي في جبال الألب. النتائج: حددت نتائج تقييم نموذج سطح الأرض JULES العمليات الرئيسية التالية في الغابات الجبلية: الانخفاض المرتبط بدرجة الحرارة في صافي الإنتاج الأولي، والتنفس، والتخصيص للكتلة الحيوية فوق الأرض و زيادة مخزونات التربة C مع الارتفاع. كان هناك اتفاق متغير بين الكتلة الحيوية المحاكية وتلك المستمدة من القياسات الميدانية عبر المعادلات المتجانسة. الاستنتاجات: حددنا الفجوات الرئيسية بين توافر البيانات والاحتياجات إلى النمذجة القائمة على العمليات للغطاء النباتي الجبلي في أمريكا الجنوبية وديناميكياته في DGVM. لسد هذه الفجوة، نقترح شبكة متعددة التخصصات، تتألف من أعضاء المجتمعات العلمية النظرية/النمذجة والتجريبية، لدراسة الديناميكيات الطبيعية للنظم الإيكولوجية الجبلية واستجاباتها لمحركات التغيير العالمي محليًا وإقليميًا وعلى المستوى القاري، ضمن إطار النظام الاجتماعي الإيكولوجي. يشكل العمل المقدم هنا الأساس لتصميم جمع البيانات من القياسات الميدانية ومحطات المراقبة الآلية إلى بارامتير والتحقق من DGVM. تم تصميم الشبكة للتعاون مع البحوث القائمة طويلة الأجل واستكمالها

Tropical montane cloud forests (TMCFs) are characterized by a unique set of biological and hydroclimatic features, including frequent and/or persistent fog, cool temperatures, and high biodiversity and endemism. These forests are one of the most vulnerable ecosystems to climate change given their small geographic range, high endemism and dependence on a rare microclimatic envelope. The frequency of atmospheric water deficits for some TMCFs is likely to increase in the future, but the consequences for the integrity and distribution of these ecosystems are uncertain. In order to investigate plant and ecosystem responses to climate change, we need to know how TMCF species function in response to current climate, which factors shape function and ecology most and how these will change into the future.This review focuses on recent advances in ecophysiological research of TMCF plants to establish a link between TMCF hydrometeorological conditions and vegetation distribution, functioning and survival. The hydraulic characteristics of TMCF trees are discussed, together with the prevalence and ecological consequences of foliar uptake of fog water (FWU) in TMCFs, a key process that allows efficient acquisition of water during cloud immersion periods, minimizing water deficits and favouring survival of species prone to drought-induced hydraulic failure.Fog occurrence is the single most important microclimatic feature affecting the distribution and function of TMCF plants. Plants in TMCFs are very vulnerable to drought (possessing a small hydraulic safety margin), and the presence of fog and FWU minimizes the occurrence of tree water deficits and thus favours the survival of TMCF trees where such deficits may occur. Characterizing the interplay between microclimatic dynamics and plant water relations is key to foster more realistic projections about climate change effects on TMCF functioning and distribution.

Summary Many tropical montane cloud forest (TMCF) trees are capable of foliar water uptake (FWU) during leaf‐wetting events. In this study, we tested the hypothesis that maintenance of leaf turgor during periods of fog exposure and soil drought is related to species’ FWU capacity. We conducted several experiments using apoplastic tracers, deuterium labeling and leaf immersion in water to evaluate differences in FWU among three common TMCF tree species. We also measured the effect of regular fog exposure on the leaf water potential of plants subjected to soil drought and used these data to model species’ response to long‐term drought. All species were able to absorb water through their leaf cuticles and/or trichomes, although the capacity to do so differed between species. During the drought experiment, the species with higher FWU capacity maintained leaf turgor for a longer period when exposed to fog, whereas the species with lower FWU exerted tighter stomatal regulation to maintain leaf turgor. Model results suggest that without fog, species with high FWU are more likely to lose turgor during seasonal droughts. We show that leaf‐wetting events are essential for trees with high FWU, which tend to be more anisohydric, maintaining leaf turgor during seasonal droughts.