要旨
In this dissertation I examine how photosynthesis on land has re-
sponded to rising CO2 concentration in recent decades, and how we
can use this knowledge to better predict the evolution of the climate-
carbon system throughout the 21st century.
More than three decades of satellite data reveal widespread and per-
sistent changes in Earth’s ecosystems. The drivers underlying these
changes and the implications for the terrestrial sink of anthropogenic
carbon emissions are controversial.
In the first part of this thesis, I examine a long-term satellite record
of global leaf area observations (1981–2017) and identify clusters of
significant change on the biome level. Using process-based models
and a framework relying on causal theory, I disentangle and attribute
vegetation changes to CO2-induced climatic changes and the CO2 fer-
tilization effect. I show that 40% of Earth’s naturally vegetated surface
is greening, predominately in the extratropics, and 14% is browning,
mostly in the tropics. Although previous studies attributed the green-
ing to CO2 fertilization, I show that only some biomes show a marked
response to this effect, whereas many biomes bear the signature of
climatic changes, i.e. warming and rainfall anomalies. The leaf area
loss in the tropical forests due to increased droughts and long-term
drying could be an early indicator of a slow-down in the terrestrial
carbon sink.
In the second part, I examine if the observed vegetation response to
rising CO2 can be used to reduce uncertainty in the evolution of the
carbon cycle. Using an approach called Emergent Constraint (EC),
I combine satellite observations and multi-model simulations to de-
rive an estimate for the increase in photosynthetic carbon fixation of
northern ecosystems for 2×CO2 (3.4 ± 0.2 Pg C yr−1). Three compara-
ble independent estimates from CO2 measurements and atmospheric
inversions corroborate this result. The EC estimate is considerably
larger than most model projections which suggests that the effect of
rising CO2 concentration on photosynthesis in northern terrestrial
ecosystems is underestimated.
In the third part, I investigate the applicability of the EC method
in a broader context of Earth system sciences. More and more EC
estimates are being reported, however their robustness is controversial.
By means of a thought experiment and analyses of a multi-model ensemble, I address the main caveats and highlight limitations as well as
potential sources of uncertainty in the application of the EC method.
All parts in this thesis highlight how the variety of observational data and the strength of process-based models in conjunction with new
methods advance the understanding of the terrestrial biosphere.
In dieser Dissertation untersuche ich, wie die terrestrische Photosyn-
these auf die steigende CO2-Konzentration der letzten Jahrzehnte
reagiert hat und wie wir dieses Wissen nutzen können, um die Ent-
wicklung des Klima-Kohlenstoff-Systems im 21. Jahrhundert besser
vorherzusagen.
Satellitendaten aus mehr als drei Jahrzehnten zeigen, dass sich die
Ökosysteme der Erde in großem Maßstab verändert haben. Die Treiber,
die diesen Veränderungen zugrunde liegen und die damit verbunde-
nen Auswirkungen auf die Landsenke von anthropogenen Kohlenstof-
femissionen, sind umstritten.
Im ersten Teil dieser Arbeit untersuche ich Langzeit-Satellitenbeo-
bachtungen der globalen Vegetation (Blattfläche, 1981–2017). Unter
Berücksichtigung verschiedener Biome identifiziere ich Regionen, die
sich signifikant verändert haben. Mit Hilfe von prozessbasierten Mo-
dellen und Kausaltheorie trenne ich die Auswirkungen des CO2-
verursachten Düngungs- und Treibhauseffekts auf die Vegetation auf.
Ich zeige, dass 40% der natürlich bewachsenen Erdoberfläche ergrünt,
vornehmlich in den Extratropen, und 14% erbraunen, hauptsächlich
in den Tropen. Frühere Studien haben den CO2-Düngungseffekt als
Haupttreiber der Ergrünung identifiziert. Meine Analyse zeigt, dass
nur einige Biome eine deutliche Reaktion auf diesen Effekt zeigen und
dass Klimaveränderungen (Erwärmung und Niederschlagsanomalien)
in vielen Ökosystemen eine stärkere Auswirkung haben. Der Verlust
von Blattfläche in den Tropenwäldern durch häufiger auftretender
Dürren und/oder stetigen Niederschlagsrückgang könnte ein Vorbote
einer Abschwächung der terrestrischen Kohlenstoffsenke sein.
Im zweiten Teil untersuche ich, ob die beobachteten Veränderungen in
der Vegetation als Folge der steigenden CO2 Konzentration herange-
zogen werden können, um die Entwicklung des globalen Kohlenstoff-
kreislaufs besser abschätzen zu können. Unter der Zuhilfenahme von
Emergent Constraints (EC) kombiniere ich Satellitenbeobachtungen
und Multi-Modell-Simulationen, um die Zunahme der photosynthe-
tischen Kohlenstoffaufname der Ökosysteme in den hohen Breiten
für 2×CO2 vorherzusagen (3.4 ± 0.2 Pg C yr−1). Drei unabhängi-
ge, vergleichbare Schätzungen, die auf CO2-Messungen und atmo-
sphärischen Inversionen basieren, untermauern dieses Ergebnis. Die
EC-basierte Schätzung ist wesentlich höher als die meisten Modell-
vorhersagen, was darauf hindeutet, dass der Einfluss der steigenden
CO2-Konzentration auf die Photosynthese der nördlichen terrestri-
schen Ökosysteme unterschätzt werden könnte.
Im dritten Teil untersuche ich die Anwendbarkeit der EC-Methode im allgemeinen Kontext der Erdsystemwissenschaften. Es werden mehr
und mehr EC-Studien durchgeführt, die Ergebnisse sind jedoch kon-
trovers. Anhand eines Gedankenexperiments und der Analyse eines
Multi-Modell-Ensembles untersuche ich die wichtigsten Kritikpunkte
und zeige mögliche Unsicherheitsquellen in der Anwendung der EC-
Methode auf.
Die vorliegende Dissertation zeigt, wie die Vielzahl an Beobachtungs-
datensätzen und prozessbasierten Modellen mit neuen Methoden zum
besseren Verständnis der terrestrischen Biosphäre verknüpft werden
kann.
