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1 | Klaus Butterbach-Bahl IMK-IFU | 13.05.2009 Ris Ø DTU KIT – die Kooperation von Forschungszentrum Karlsruhe GmbH und Universität Karlsruhe (TH) Feedback.

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1 1 | Klaus Butterbach-Bahl IMK-IFU | Ris Ø DTU KIT – die Kooperation von Forschungszentrum Karlsruhe GmbH und Universität Karlsruhe (TH) Feedback from terrestrial productivity changes to the climate Model predictions of greenhouse gas emission at a regional scale Klaus Butterbach-Bahl Institute for Meteorology and Climate Research Atmospheric Environmental Research (IMK-IFU) Forschungszentrum Karlsruhe Garmisch-Partenkirchen, Germany

2 KIT – die Kooperation von Forschungszentrum Karlsruhe GmbH und Universität Karlsruhe (TH) Global Changes and soil N 2 O and CH 4 exchange Climate change Atmosph. Compos. Land use CO 2 N-Dep. (O 3, …) Precip. Temp.Change Manag. Physico-chemical environment (radiat., soil T& - moist., compact., O 2, C/N avail.) Plant Physiology (WUE, Photosynthesis) Plant species composition Soil C and N turnover Soil microbial community Plant litter (QA/QN) & Exudation Nitrification Denitrification CH 4 -Prod. CH 4 -Oxid. Biospere-Atmosphere Exchange of CH 4 & N 2 O

3 KIT – die Kooperation von Forschungszentrum Karlsruhe GmbH und Universität Karlsruhe (TH) Understanding the environmental feedbacks between C and N cycling CH 4 CO 2 VOC NO x N2ON2O 60-70% Isoprenoid- production 90% NitrificationDenitrification MethanogenesisCH 4 -Oxidation Photosynthesis Increased SOC +soil microbial activity +soil N- cycling -O 2 avail. +DOC avail. Increased N 2 O

4 KIT – die Kooperation von Forschungszentrum Karlsruhe GmbH und Universität Karlsruhe (TH) 4 | V. Name | Organisationseinheit | TT.MM.JJJJ The challenge: Regional fluxes Bridging the gap: process understanding ecosystem/ regional fluxes Empirical/ statistical approaches for inventories o IPCC and emission factors o Robust (most likely), but can hardly be used for o evaluating land use/ land management strategies, or o assessing climate-biosphere feedbacks Process oriented modeling o DayCent, DNDC, CERES, COUP, etc. o Complex processes descriptions, high parameter demand o still need further development and UC assessment, but o provide realistic simulation of ecosystem processes o allow to test hypotheses, o can be used to assess global change feedbacks

5 5 | Klaus Butterbach-Bahl IMK-IFU | Ris Ø DTU KIT – die Kooperation von Forschungszentrum Karlsruhe GmbH und Universität Karlsruhe (TH) Process oriented modeling of biosphere-atmosphere exchange

6 6 | Klaus Butterbach-Bahl IMK-IFU | Ris Ø DTU KIT – die Kooperation von Forschungszentrum Karlsruhe GmbH und Universität Karlsruhe (TH) ISRIC- WISE ESDB v1 Clay content pH bulk density Temperature Precipitation PAR Latitude SOC Map of Topsoil OrganicCarbon MM5 CAPRI Crop type/area Sowing and Harvest date (2003) LUCAS Polygon 1x1 km 2 Grid 10x10 km 2 Grid Fertilizer input Yield (kg/ha) 1x1 km 2 Grid NUTS Regions Points Data sourceData contentformat SOIL CLIMATE MANAGEMENT 10km x 10km Grid Spatial information GIS DATABASE DNDC Emission Inventory of European agricultural soils EUStat EMEP N deposition 50x50 km 2 Grid GIS database for DNDC GIS coupling for GIS – the problem of data

7 KIT – die Kooperation von Forschungszentrum Karlsruhe GmbH und Universität Karlsruhe (TH) Global N 2 O budget

8 KIT – die Kooperation von Forschungszentrum Karlsruhe GmbH und Universität Karlsruhe (TH) Model testing

9 KIT – die Kooperation von Forschungszentrum Karlsruhe GmbH und Universität Karlsruhe (TH) Model testing

10 KIT – die Kooperation von Forschungszentrum Karlsruhe GmbH und Universität Karlsruhe (TH) Model testing

11 KIT – die Kooperation von Forschungszentrum Karlsruhe GmbH und Universität Karlsruhe (TH) Model testing Motivation Strategy Sites&Methods Results Australia Global Outlook Simulated N 2 O-emissions [g N ha -1 ] Measured N 2 O-emissions [g N ha -1 ]

12 KIT – die Kooperation von Forschungszentrum Karlsruhe GmbH und Universität Karlsruhe (TH) Global GIS

13 KIT – die Kooperation von Forschungszentrum Karlsruhe GmbH und Universität Karlsruhe (TH) Global GIS

14 KIT – die Kooperation von Forschungszentrum Karlsruhe GmbH und Universität Karlsruhe (TH) Global GIS

15 KIT – die Kooperation von Forschungszentrum Karlsruhe GmbH und Universität Karlsruhe (TH) Global N 2 O inventory Werner et al., 2007, JGR – Global Biogeochem. Cycl.

16 KIT – die Kooperation von Forschungszentrum Karlsruhe GmbH und Universität Karlsruhe (TH) Interannual variability Werner et al., 2007, JGR – Global Biogeochem. Cycl.

17 KIT – die Kooperation von Forschungszentrum Karlsruhe GmbH und Universität Karlsruhe (TH) Comparison with earlier estimates What is the area we are talking about? (all N 2 O emissions scaled to the area used in this study; orange: scaled / white: original) Matson and Vitousek 1990: 1.8 Tg N yr -1 (2.4 Tg N yr -1 ) Bouwman et al. 1995:1.5 Tg N yr -1 (2.3 Tg N yr -1 ) Potter 1998:1.3 Tg N yr -1 Breuer et al. 2000:2.6 Tg N yr -1 (3.55 Tg N yr -1 ) Stehfest and Bouwman 2006:1.5 Tg N yr -1 (1.17 Tg N yr -1 ) This study:1.3 Tg N yr-1 (± 0.3 SD) Werner et al., 2007, JGR – Global Biogeochem. Cycl.

18 18 | Klaus Butterbach-Bahl IMK-IFU | Ris Ø DTU KIT – die Kooperation von Forschungszentrum Karlsruhe GmbH und Universität Karlsruhe (TH) ISRIC- WISE ESDB v1 Clay content pH bulk density Temperature Precipitation PAR Latitude SOC Map of Topsoil OrganicCarbon MM5 CAPRI Crop type/area Sowing and Harvest date (2003) LUCAS Polygon 1x1 km 2 Grid 10x10 km 2 Grid Fertilizer input Yield (kg/ha) 1x1 km 2 Grid NUTS Regions Points Data sourceData contentformat SOIL CLIMATE MANAGEMENT 10km x 10km Grid Spatial information GIS DATABASE DNDC Emission Inventory of European agricultural soils EUStat EMEP N deposition 50x50 km 2 Grid GIS database for DNDC Predictions for Europe

19 19 | Klaus Butterbach-Bahl IMK-IFU | Ris Ø DTU KIT – die Kooperation von Forschungszentrum Karlsruhe GmbH und Universität Karlsruhe (TH) Identifying key regions and interannual variabilities

20 KIT – die Kooperation von Forschungszentrum Karlsruhe GmbH und Universität Karlsruhe (TH) Crop yield - statistics Crop yield - DAYCENT Simulated N 2 O Simulated NO 3 leaching Del Grosso et al., 2006, J. Env. Qual. Identifying key regions

21 21 | Klaus Butterbach-Bahl IMK-IFU | Ris Ø DTU KIT – die Kooperation von Forschungszentrum Karlsruhe GmbH und Universität Karlsruhe (TH) Simulated forest area of Europe: km 2 NO Emissions Minimum Scenario kt N a -1 Average Scenario kt N a -1 Maximum Scenario kt N a Inventorying soil N trace gas fluxes and identifying feedbacks

22 KIT – die Kooperation von Forschungszentrum Karlsruhe GmbH und Universität Karlsruhe (TH) Climate change feedbacks ( ) - ( ) [A2 scenario] ECHAM4 MCCM/MM5 regionalisation (60kmx60km)

23 KIT – die Kooperation von Forschungszentrum Karlsruhe GmbH und Universität Karlsruhe (TH) 23 | V. Name | Organisationseinheit | TT.MM.JJJJ Climate change feedbacks ( ) - ( ) Seasonal changes in soil moisture Kesik et al., 2006, JGR - Biogeosciences

24 24 | Klaus Butterbach-Bahl IMK-IFU | Ris Ø DTU KIT – die Kooperation von Forschungszentrum Karlsruhe GmbH und Universität Karlsruhe (TH) Climate feedbacks on forest soil N 2 O/NO emissions Temp. NO N2ON2O Precip. Kesik et al., 2006, JGR - Biogeosciences

25 KIT – die Kooperation von Forschungszentrum Karlsruhe GmbH und Universität Karlsruhe (TH) 25 | V. Name | Organisationseinheit | TT.MM.JJJJ Climate feedbacks on forest soil N 2 O/NO emissions Kesik et al., 2006, JGR - Biogeosciences

26 26 | Klaus Butterbach-Bahl IMK-IFU | Ris Ø DTU KIT – die Kooperation von Forschungszentrum Karlsruhe GmbH und Universität Karlsruhe (TH) Kesik et al., 2006, JGR - Biogeosciences Climate feedbacks on N 2 O/N 2 ratio. Is this realistic?

27 KIT – die Kooperation von Forschungszentrum Karlsruhe GmbH und Universität Karlsruhe (TH) N 2 fixation Denitrification Biologically Available N N-Cycle Climate warming Land use change Fossil fuel burning Atmospheric reactive N Atmospheric CO 2 Biogeochemical Cycles Atmospheric drivers Human drivers + + +? Industrial N 2 fixation ? + ? ? ? ? + Primary production Carbon Cycle C/N ratio + + ? + ? + Gruber & Galloway, Nature 2008

28 28 | Klaus Butterbach-Bahl IMK-IFU | Ris Ø DTU KIT – die Kooperation von Forschungszentrum Karlsruhe GmbH und Universität Karlsruhe (TH) Summary Nr emission/ deposition processes are by far more complex as compared to e.g. CO 2 -exchange processes, due to Complexity of involved processes Complexity of feedbacks to environmental drivers N r cascading on landscape/regional and global scales Understanding of microbial production and consumption processes under changing environmental conditions is still incomplete, and Link between process understanding, field observations and model implementation cannot always be established Closing the N cycling remains difficult due to uncertain N 2 losses Long-term measurements are needed [holistic approach] Models need to address the regional scale and linking of biogeochemical models to hydrological models is needed

29 29 | Klaus Butterbach-Bahl IMK-IFU | Ris Ø DTU KIT – die Kooperation von Forschungszentrum Karlsruhe GmbH und Universität Karlsruhe (TH) AtmosphereSoil mineral Norganic N SOIL TRANSFERS Heat (Fourier) Water (Tipping bucket) Nitrate (Convective) absorption C-N BIOTRANSFORMATIONS Mineralisation - Immobilisation Nitrification - Denitrification drainage, nitrate leaching PLANT PROCESSES Phenology Ressource capture Partitioning Senescence crop residues Groundwater CO 2, N 2 O, NH 3, NO Process oriented modeling of ecosystem N- (C-) fluxes Crop type/ fertilization Human management Tillage/ drainage Biomass removal Atmospheric N input

30 30 | Klaus Butterbach-Bahl IMK-IFU | Ris Ø DTU KIT – die Kooperation von Forschungszentrum Karlsruhe GmbH und Universität Karlsruhe (TH) denitrification CH 4 -production CO 2 DOC CH 4 nitrification anaerobic soil matrix CH 4 -consumption CO 2 CH 4 NO 3 - NO 2 - NO N 2 O N 2 NO 3 - NO 2 - NH 4 + NO N2ON2O aerobic soil matrix Conceptual model of an anaerobic balloon

31 31 | Klaus Butterbach-Bahl IMK-IFU | Ris Ø DTU KIT – die Kooperation von Forschungszentrum Karlsruhe GmbH und Universität Karlsruhe (TH) Illinois, USA Rothamsted, UK Bad Lauchstädt, Germany Waite, Australia Li, Frolking, Butterbach-Bahl, Climatic Change, 2005 barley/potato/wheat/sugarbeet Winter wheat wheat/fallow Model evaluation: SOC dynamics

32 32 | Klaus Butterbach-Bahl IMK-IFU | Ris Ø DTU KIT – die Kooperation von Forschungszentrum Karlsruhe GmbH und Universität Karlsruhe (TH) Model evaluation: N 2 O fluxes Li, Frolking, Butterbach-Bahl, Climatic Change, 2005

33 33 | Klaus Butterbach-Bahl IMK-IFU | Ris Ø DTU KIT – die Kooperation von Forschungszentrum Karlsruhe GmbH und Universität Karlsruhe (TH) Model evaluation: NO fluxes [forests] Kesik et al., 2006, Biogeosciences

34 KIT – die Kooperation von Forschungszentrum Karlsruhe GmbH und Universität Karlsruhe (TH) 34 | V. Name | Organisationseinheit | TT.MM.JJJJ

35 35 | Klaus Butterbach-Bahl IMK-IFU | Ris Ø DTU KIT – die Kooperation von Forschungszentrum Karlsruhe GmbH und Universität Karlsruhe (TH) Eh changes driven in CH 4 /N 2 O fluxes in rice paddies Li et al., 2005,Glob.Biogeochem. Cycl.

36 36 | Klaus Butterbach-Bahl IMK-IFU | Ris Ø DTU KIT – die Kooperation von Forschungszentrum Karlsruhe GmbH und Universität Karlsruhe (TH) AltdorfFlossenbürg Model evaluation: Soil water fluxes


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