How does elevated atmospheric CO2 concentration affect vegetation productivity? : a study based on Free Air CO2 Enrichment (FACE) experiments and two generalised vegetation models

Increasing levels of CO2 in the atmosphere may substantially increase net primary productivity (NPP) and thereby increase carbon sequestration by terrestrial ecosystems. Realistic Free Air Carbon Enrichment (FACE) experiments tend to show a NPP enhancement of about 25% if CO2 is elevated by 200 ppm. In this study two generalized vegetation models, the Lund-Postsdam-Jena dynamic generalized vegetation model (LPJ-DGVM), and the General Ecosystem Simulator (GUESS), were tested against results from five FACE sites, representing different global vegetation types. The models manage to provide results that were close the observed values in the FACE experiments when presenting the average NPP enhancement for all the sites over all the years. LPJ-DGVM simulated an enhancement in NPP of 29,6%, the GUESS 26,5% compared to the observed 26,5% in the FACE experiments. However the models fail to simulate the interannual variation in the CO2 response. One potential explanation for this is that the generalised representations of soil hydrology in the models do not adequately represent site-specific hydrological patterns and water-availability. The results in this study do not confirm the hypothesis that the NPP enhancement as a result of elevated CO2 is larger under water limitation. Strong critics have been aimed against models without nutrient limitation, like the LPJ-DGVM and GUESS, stating that these oversimulate the NPP effect from elevated CO2. This study indicates that nutrient availability does not crucially limit vegetation response to elevated CO2 productivity.Populärvetenskaplig sammanfattning: Sen den industriella revolutionen har koldioxidhalten i atmosfären nästan fördubblats, från 280 ppm till 360 ppm. Detta har skapat stora diskussioner om hur vårt klimat kommer att påverkas. Koldioxid (CO2) är en växthusgas och med detta menas att den absorberar inkommande energi och på så sätt värmer upp vår jord. I denna studie har fokusen lagts på hur vegetationen reagerar på denna ökning CO2. Vegetationen använder sig av CO2 och vatten i fotosyntesen för att bilda stärkelse och syre. Man har funnit att en ökad CO2 halt i luften fungerar som ett gödningsmedel för vegetationen och att ekosystem i varma och/eller torra klimat sparar vatten, vilket leder till en ökad netto primär produktion (NPP). För att ta reda på hur mycket Netto Primär Produktionen (NPP) ökar hos vegetationen har man i denna studie använt sig av två dynamiska vegetations modeller, Lund-Postsdam-Jena dynamic generalized vegetation model (LPJ-DGVM) och General Ecosystem Simulator (GUESS) och fem Free Air Carbon Enrichment (FACE) experiment som representerade olika vegetationstyper. Vid sammanslagning av åren och de fem platsernas ökning i NPP lyckades modellerna producerar resultat som var nära de observerade FACE experimenten. LPJ-DGVM simulerade en 29,6%, ökning av NPP, GUESS 26,5% jämfört med 26,5% i de observerade FACE experimenten. När det gäller den årliga variationen för de olika platserna misslyckades modellerna simulera responsen av den ökande CO2 i FACE experimenten. En förklaring till detta kan vara att modellerna har en generaliserad representation av jord hydrologin, vilket leder till att modellerna inte kan simulera individuella hydrologiska mönster och vatten tillgång för de olika platserna. Modellerna användes även för att testa om hypotesen att ökningen av NPP i en förhöjd CO2 miljö skulle vara större om vatten var begränsat. Resultaten i denna studie visade inte på något samband mellan dessa två. Det har riktats mycket kritik mot modeller, bland dem LPJ-DGVM och GUESS, som inte har begränsning av kväve och andra närings ämnen. Kritiken menar att effekten på NPP från en ökad CO2 miljö är översimulerad av dessa modeller. Denna studie visar att tillgången på näringsämnen inte nödvändigtvis begränsar vegetations produktion i en förhöjd CO2 atmosfär