Ahlström, A.

Arneth, A.

Arvanitis, A.

Bayer, A.

Klein Goldewijk, K.

Lindeskog, M.

Olin, S.

Pugh, T.

Schurgers, G.

KITopen

Managed land and the climate system: Is the representation in Earth‐System Models sufficient? Thomas Pugh1, Almut Arneth1 , Stefan Olin2, Anders Ahlström2, Athanasios Arvanitis1, Anita Bayer1, Kees Klein Goldewijk3, Mats Lindeskog2 & Guy Schurgers2                  1 Karlsruhe Institute of Technology, IMK‐IFU, 82467 Garmisch‐Partenkirchen, Germany.2 Department of Physical Geography and Ecosystem Science, Lund University, Sweden.3 Utrecht University, The Netherlands and PBL Netherlands Environmental Assessment Agency, Bilthoven, The NetherlandsCultivaradaptation2nd GLP Open Science Meeting, Berlin, March 2014Quick history of land‐cover change and global climate modellingEstimated crop and pasture cover fraction in 2005.• IPCC AR4 Global Climate Model simulations ignored           land‐cover change.• AR5 GCM simulations included simple representations ofFigures based on Hurtt et al.,Climatic Change, 2011.             land‐cover change.Quick history of land‐cover change and global climate modellingBut the uncertainty in land‐use emission magnitude is huge.There are no direct global measurement constraints.1 Pg C a‐1Figure from Houghton et al. Biogeosciences, 2012.Quick history of land‐cover change and global climate modellingDifferences in ESM terrestrial carbon storage between simulations with and without land‐cover change can be very large.Figure from Brovkin et al. Journal of Climate, 2013.How much does agricultural representation affect the carbon cycle?• AR5 ESMs and many DGVMs represented croplands as grasslands, broadly excluding the specific features of managed systems.• However, in reality croplands (and to a lesser extent pasture ) ff fCultivaradaptationlands  are very di erent  rom natural grassland ecosystems.How much does agricultural representation affect the carbon cycle?We used the LPJ‐GUESS Dynamic Global Vegetation model with a detailed representation of agricultural processes             (Lindeskog et al., Earth System Dynamics, 2013) to investigate how agricultural representation may affect the Cultivaradaptationmodelled land carbon sink.How much does agricultural representation affect the carbon cycle?Change in modelled terrestrial carbon uptake since 18506 GCMsleaseDetailed crop modelCrops/pasture as Rel92 Pg Cgrass (with harvest)Crops/pasture as 132 grassePotential natural Pg CUptakevegetation only1850 1900 1950 2000How much does agricultural representation affect the carbon cycle?Change in modelled terrestrial carbon uptake since 18506 GCMsleaseDetailed crop modelCrops/pasture as Rel92 Pg Cgrass (with harvest)Crops/pasture as 132 grassePotential natural Pg CUptakevegetation only1850 1900 1950 200070% increase in overall LUC emissionsComparison to other estimatesLand‐use change emissions ELUC1960 1980 2000 1960 1980 2000Why is the difference so large?Components of LUC flux:Net deforestation due to     (1850‐2012 accumulated fluxes,Pg C)       environmental change Lost potential vegetation sink capacityC: 34 C: 7 G: 36G: 5Net deforestationC: 142 G: 141 C: 41Change in soil input/output (indirect soil flux)Soil component of sink capacity change   G: ‐52 C: ‐9 G: ‐10Why is the difference so large?Components of LUC flux:Net deforestation due to     (1850‐2012 accumulated fluxes,Pg C)       environmental change Lost potential vegetation sink capacityC: 34 C: 7 G: 36G: 5Net deforestationC: 142 G: 141 C: 41Change in soil input/output (indirect soil flux)Soil component of sink capacity change   G: ‐52 C: ‐9 G: ‐10Harvest and tillage are the key processesWhy is the difference so large?What is actually happening?     Vegetation C Soil CExample: Single site with complete conversion event at 1950.   Deforestation Deforestation• Grassland actually accumulates more soil C than forest.• But harvest results in “immediate” oxidation of C that would otherwise enter soil. • Tillage gives higher soil respiration rates in cropland              .• C changes due to differences in productivity very small (due to harvest).Why is the difference so large?Change in soil carbon content pon con ersion from nat ral to cropland (Kg C m‐2)         u   v     u          What about the future?Extend simulations into the future using RCP scenariosChange in C uptake relative to PNVWhat about the future?Extend simulations into the future using RCP scenariosChange in C uptake relative to PNVSummaryAgriculture‐specific processes are not generally considered in AR5 ESMs      .Agricultural representation especially harvest/grazing  ,    , can greatly influence the simulated terrestial carbon sink.Effect of agriculture on carbon fluxes is tied to date of land‐use transition rather than an ongoing source  ,          .Overall effect on radiative forcing can be of the order                   0.5 W m‐2 since pre‐industrial.SummaryAgriculture‐specific processes are not generally considered in AR5 ESMs      .Agricultural representation especially harvest/grazing  ,    , can greatly influence the simulated terrestial carbon sink.Effect of agriculture on carbon fluxes is tied to date of land‐use transition rather than an ongoing source  ,          .Overall effect on radiative forcing can be of the order                   0.5 W m‐2 since pre‐industrial.Must also consider biophysical effects and non‐CO2 greenhouse gases...Cheers for listening!temperature, precipitation, radiation, CO2, soil physical propertiesLPJ‐GUESS: a general, process‐based ecosystem modelling frameworkLPJ‐GUESS structuredaily processes annual processesecosystem statemodelled locality or grid cellsoil hydrology biomass allocation& growth  NPPH On centrationstomatalregulation reproductionSoil waterCO 22, atm. CO2conphotosynthesis establishmentVegetation structureand compositiontion, radiationplant respirationleaf & rootmortalityCO 2ture, precipitat  phenologydecompositiondisturbanceleaf, root &Litter CSoil organic matter CCO 2Temperatsapwood turnoverWhy is the difference so large?Using factorial simulations we can isolate the different elements of the LUC emission:1850 2012 l t d LUC fl (P C)Flux Detailed crops Crops‐as‐grassN t d f t ti 142 141‐  accumu a e     uxes  g e   e ores a on(pre‐ind. biomass)Net deforestation 7 5   (env. change)Lost potential sink  34 36capacity (veg.)Indirect soil flux 41 ‐52Lost potential sink capacity (soil)‐9 ‐10lTota 215 120Why is the difference so large?Uncertainty: ~880 Pg CInfluence of crop representation on the carbon cycle   ~160 Pg C   Direct emissions from land‐use change 1850‐2005, i.e. Deforestation in LPJ‐GUESS simulations (process Emissions from harvest/grazing 1850‐2005 in LPJ‐GUESS simulations (mostly balanced by included in IPCC AR5 GCMs) decrease in soil respiration flux) Harvest is a massive gross flux of carbon to the atmosphere. Ignoring harvest not only ignores a substantial net flux but all the uncertainties              ,         associated with the gross flux (and the balancing soil respiration flux)

Managed land and the climate system: Is the representation in earth-system models sufficient?

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Managed land and the climate system: Is the representation in earth-system models sufficient?

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