Earth Ssystem dynamics in the Anthropocen [Elektronische Ressource] : modelling key processes of climate-human interactions in the terrestrial biosphere / Tim Beringer. Gutachter: Wolfgang Lucht ; Karlheinz Erb ; Thomas Hickler

Dipl.-Umweltwiss. Tim Beringer

Description

Earth System Dynamics in the AnthropoceneModelling Key Processes of Climate-Human Interactionsin the Terrestrial BiosphereDISSERTATIONzur Erlangung des akademischen GradesDr. Rer. Nat.im Fach Geographieeingereicht an derMathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät IIHumboldt-Universität zu BerlinvonDipl.-Umweltwiss. Tim BeringerPräsident der Humboldt-Universität zu Berlin:Prof. Dr. Jan-Hendrik OlbertzDekan der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät II:Prof. Dr. Elmar KulkeGutachter:1. Prof. Dr. Wolfgang Lucht2. Prof. Dr. Karlheinz Erb3. Prof. Dr. Thomas Hicklereingereicht am: 08.04.2011Tag der mündlichen Prüfung: 29.10.2011AcknowldegementsThis thesis would never have been realized without the help and support of manypeople and I am deeply indebted to all of them.• I am most grateful to Prof. Dr. Wolfgang Lucht for allowing me to start at PIK inthe first place, the continuous support throughout the last years, his intellectualinputs, patience and trust.• Many thanks to Prof. Dr. Wolfgang Cramer who always found the time to listenand discuss any questions that I had to deal with.• Dr. Dieter Gerten’s feedbacks and comments helped a lot to improve my work. Iam also very greatful for his substantial reviews of manuscripts.• VeryspecialthanksgoouttoProf.Dr.KarlheinzErbandProf.Dr.ThomasHicklerwho kindly agreed to act as referees for my thesis.• Working at PIK is a privilege.

Informations

• Publié par: humboldt-universitat_zu_berlin
• Publié le: 01 janvier 2012
• Nombre de lectures: 81
• Langue: English
• Poids de l'ouvrage: 17 Mo

Extrait

EarthSystemDynamicsintheAnthropocene

ModellingKeyProcessesofClimate-HumanInteractions
BiosphereerrestrialTthein

DISSERTATION

GradesakademischendesErlangungzur

imFDr.achRer.Nat.Geographie

deraneingereichtakultätFMathematisch-NaturwissenschaftlichenBerlinzutätoldt-UniversiHumb

vonDipl.-Umweltwiss.TimBeringer

PräsidentderHumboldt-UniversitätzuBerlin:
ertzOlbJan-HendrikDr.Prof.

Prof.DekanDr.derElmarKulkeMathematisch-NaturwissenschaftlichenFakultät

Gutachter:2.1.Prof.Prof.Dr.Dr.WKarlheinzolfgangErbLucht
HicklerThomasDr.Prof.3.

Tageingereichtderam:mündlichen08.04.2011Prüfung:

29.10.2011II:

II

wldegementscknoA

Thisthesiswouldneverhavebeenrealizedwithoutthehelpandsupportofmany
peopleandIamdeeplyindebtedtoallofthem.
•IammostgratefultoProf.Dr.WolfgangLuchtforallowingmetostartatPIKin
thefirstplace,thecontinuoussupportthroughoutthelastyears,hisintellectual
inputs,patienceandtrust.
•ManythankstoProf.Dr.WolfgangCramerwhoalwaysfoundthetimetolisten
anddiscussanyquestionsthatIhadtodealwith.
•Dr.DieterGerten’sfeedbacksandcommentshelpedalottoimprovemywork.I
amalsoverygreatfulforhissubstantialreviewsofmanuscripts.
•VeryspecialthanksgoouttoProf.Dr.KarlheinzErbandProf.Dr.ThomasHickler
whokindlyagreedtoactasrefereesformythesis.
•WorkingatPIKisaprivilege.MostlybecauseofthegreatpeopleIhavemethere:
Alberte,Birgit,Christoph,Hermann,Jens,Kirsten,Sebastian,Sibyll,Stefanie,
Ursula.Atalltimes,Igreatlyenjoyedthefriendly,constructiveandmotivating
atmosphereandthankyousomuchforyoursupport,ideasandcupsofcoffee.
•TheInternationalMax-PlanckResearchSchoolonEarthSystemModelling(IM-
PRS)hasbeenagreatexperiencefullofinterestingpeople,freshideasandchal-
ions.discusslenging•Myparentsalwaysallowedmetochooseandpersuemyownambitions.Thank
yousomuchforgivingmethisfreedomandindependence.
Silke,JonasandMattis-WithoutyouI’mnothing...

iii

Abstract

landHumansurface,activities,arepritransformingmarilythethecomEarthbustionSystemoffossilatfuelsunprecedenandtedthescale.globalmoClimatedificationchangeofandthe
theoverexploitationofnaturalresourcesmaysoonoverwhelmtheadaptivecapacitiesofmany
ecosystemsandsocieties,whichcouldleadtosubstantiallossesinhumanwell-beingandpoli-
ticaldestabilization.Sciencehasaresponsibilitytoprovidesocietywiththescientificbasisfor
therequires,socialinandterpalia,oliticalfundamendiscoursetalknoaboutwledgeapabossibleoutmectransitionhanismstowandardsfeedglobalbacksinthesustainabilitEarthy.SysThis-
temthereforethatofmaycrucialleadtoimportancesignificantforthelarge-scalefuturecdevhangeselopinmenentvirofonmennaturetalandsoconditionsciety.Inandthiswhicconhtext,are
itisthegoalofthisthesistocontributetoabetterunderstandingofthemostimportantglobal
driversthatwilldeterminethefutureofthelandbiosphereduringthiscentury:climatechange
use.landumanhandBasedonaDynamicGlobalVegetationModel(DGVM),thefirstpartofthisthesisexamines
twthreeolargedecades.climaticThesedisturbanalysesancesfoofcustheontheterrestrialeffectscarbofonchangescycleinthattewmpereerature,observedprecduringipitationthelastand
NiñoradiationeventafteronplanthetproeruptionductivioftyMounandtsoilPinatubdecompoinosition.1992/93Resultsandduringindicatethethatstrongincreased1997-1998carbonEl
storageinthelandbiosphereexplainsthemostpartoftheatmosphericCOanomaly.The
strengtheningoftheterrestrialcarbonsinkresultsfromaveryheterogeneous2spatialpatternof
cThehangessecincondarbpartonofuptakthiseandthesisreleaseaddressesbyvtheegetationworldwidandesoils.increasingdemandforbioenergythat
mamenytsbofecomebiomassthemostcultivimpation.ortanAtcomdrivberofinationfutuofrevlandegetationusecmohangedelingduetoandthespatiallargedataareaanalysesrequire-
isusedtoassessglobalbioenergypotentialsthatconsidervarioussustainabilityrequirements
forfoodsecurity,biodiversityprotectionandthereductionofgreenhousegasemissionsandto
evaluatetheenvironmentalimpactsoflarge-scaleenergycropcultivation.Theresultsindicate
thatbioenergymayprovidebetween15and25%oftheglobalenergydemandin2050.Exploiting
inthesetopotenagriculturaltials,holand,wever,affectingrequiresalargethenconumvberersionofofecosystemsanotherthat140-450haveMhaalreadyofbnaturaleenvegefragmentationted
anddegradedandprovidehabitatformanythreatenedandendemicspecies.

v

Zusammenfassung

InfossilerniedagewEnergieträgeesenerrunGrößenordndderwunggreieiträumigenftderMenscUmgestaltuhdurcnghdiederstetigLandobzuneerflächmendeheinVdieerbrennglobaleung
Umweltein.KlimawandelundÜbernutzungnatürlicherRessourcenkönntenschonindiesem
somitJahrhzuundertgesellscdiehaftlicAnpashenKsungsfähigkonflikteneitenundvielerpolitiscökherologischerundDestabilisierungsozialerführen.SystemeDieübersteigenWissenscundhaft
kursstehtüberdahereinenindermöglicPflichenht,ÜbeineerganginInformationsbasiseinenachhaltigefürdenpZukunftolitisczuhenscundhaffen.gesellscNotwendighaftlichendafürDisist-
unsystem,terdieanderemzueingroßräumigengrundlegendesundVberständnisedeutsamenderVMeceränderhanismenungenderundUmWecweltbhselwirkungenedingungenimführErd-en
könnenunddamitfürdiezukünftigeEntwicklungvonNaturundGesellschaftvonentscheiden-
wicderhtigstenBedeutungglobalensind.VTorriebkräftediesembHineitragen,tergrunddiesolldiedieseEntwicStudieklungzudereinembterrestriscesserenhenVerBiosphständnisärediner
diesemAufderJahrhBasisunderteinesprägenwDynamiscerden:henKlimaGlobalenwandelVundmeegetationsmonschlicdellshewLandnerdeniutzung.merstenTeilder
vorliegendenArbeitzweigroßeklimatischeStörungendesglobalenKohlenstoffkreislaufsunter-
sucht,dieinnerhalbderletztendreiJahrzehntebeobachtetwurden.ImFordergrundstehtdie
Fdemrage,AwieusbrucsichhdesdievPinatuberänderteno1992/93Tempunderatur-,währendNiederscdesstarkhlags-enundElNiñoStrahlungsbEreignissesedingunvongen1997/98nach
vaufermehrtepflanzlicKheProohlenstoffspduktivitäteicherungundinderZersetzunLandbgsprozesseiosphäreimdenBoübdenerwiegendenauswirkten.TeiEslderzeigtsich,atmosphä-dass
risceinemhenCOräumlic2hAnomalienäußersterklärt.heterogenemDieMusterStärkungvondervterrestrisceränderterhenKKohleohlenstoffaufnahmenstoffsenkeergibtundsich-abgabause
durchVegetationundBöden.
BioDerenergiezw,eitedieTeilaufgrunddieserdesArbfläceitbheninesctensivhäftigtensicAnhbausmitvderonweltBiomasseweitzursteigendwichentigstenNacThfrageriebkraftnach
fürzukünftigeLandnutzungsänderungenwerdenkönnte.AusderKombinationvonVegetati-
onsmodellierungundräumlichenDatenanalysenwerdenglobaleBioenergiepotentialeunterBe-
rücBioksicdivhersitättigungvunderschieReduktiondenerNacvonhThaltigkreibeitshausgasemissionenanforderungenbfürestimmtErnährungssicundmöglicherheit,heökSchutzologiscvheon
kAönntenuswirkungendemnacdhes15bisgroßräumigen25%deswAneltwbauseitenvonEnergiebEnergiepflanzenedarfsdurchabgescBiohätzt.energieFürabgedecdasktJahrwerden.2050
Dafürmüsstenallerdingsweitere140-450MillionenHektarnatürlicheVegetationinAgrarland
umgewandeltwerden.DieseLandnutzungsänderungenwürdenzahlreicheÖkosystemebetreffen,
dieZahlbbereitsedrohterheuteunddegradiertendemiscundherArtenfragmentiertdarstellensind.undvielfachwichtigeHabitatefüreinegroße

vii

Contents

1ductionIntroGeneral11.1Unsustainableinteractionsofhumanitywiththeirenvironment......1
1.2EarthSystemAnalysis.............................2
1.2.1ToolsandMethodsinEarthSystemScience.............3
1.3TheterrestrialbiosphereintheAnthropocene................10
1.3.1Terrestrialcarboncycle........................10
1.3.2Humanlanduse............................13
1.4Objectives....................................15
1.4.1Structureofthethesis.........................16
1.4.2Author’scontributiontoindividualchaptersofthisthesis.....16
2Impactsoflargescaleclimaticdisturbancesontheterrestrialcarboncycle19
2.1Background...................................20
2.2Results......................................21
2.3Discussion....................................23
2.4Conclusions...................................24
2.5Methods.....................................26
3RegionalresponsepatternsoftheterrestrialbiospheretoPinatuboeruption27
3.1Introduction...................................28
3.2Methods.....................................30
3.2.1LPJDGVM...............................30
3.2.2Modificationoftheoriginalmodelformulation...........31
3.2.3Modelingprotocol...........................32
3.3Results......................................33
3.3.1GlobalCO2anomaliesin1992/1993.................33
3.3.2Regionalpatternsofterrestrialcarbonsourcesandsinksin1992/9333
3.4Discussion....................................36
4Globalbioenergyscenarios41
4.1Simulatinglargescaleenergycropcultivation:motivationandmethods.42
4.1.1Recentestimatesofglobalbioenergypotentials...........45
4.1.2ImplementinglignocellulosicenergycropsinLPJmL........47
4.1.3Scenarioconstruction.........................52
4.1.4Environmentaldatausedinthescenarios..............53
4.2Bioenergyproductionpotentials........................62
4.2.1Abstract.................................62

ix

tstenCon

5

x

4.2.2Introduction...........
4.2.3Methods..............
4.2.4Results..............
4.2.5Discussion.............

okOutloandrySumma5.1Summary............