Potsdam, Germany
September 9, 2020
ICOS, the Integrated Carbon Observation System, has enabled a set of studies showing how nature and crops in Europe respond to extremely dry conditions, such as occurred in the last three summers, 2018-2020. The results published today in Philosophical Transactions B show, for example, that in 2018 the vegetation’s carbon sink function decreased by 18 percent, and crops produced the lowest yields in decades. The results are significant since such extreme droughts will likely happen much more frequently in the future.
Extremely hot and dry summers are expected to be much more frequent in the future due to climate change. This is visible even now, the past summer being the third extremely hot summer in row. The areas of crops affected by droughts will also probably increase considerably, when carbon dioxide (CO2) levels continue to rise.
The 2018 summer had the largest ever area in Europe under extreme drought. Temperature records were broken in many regions of Central Europe and the UK, fires broke out in the Nordic countries, and several countries were affected by crop failures.
The 17 study results published today in a special issue of Philosophical Transactions B show how vegetation in Europe responds to drought, i.e. how the exchange of carbon between the vegetation and atmosphere is affected. The studies cover areas from Spain to Sweden and Finland, and from the Czech Republic through Germany, France and Belgium to the Netherlands and the UK. The drought studies provide crucial knowledge when trying to minimise the negative effects of the climate change.
Forest carbon sinks decreased, crops were lost, and grasslands browned down
According to the results presented, the plants first profited from warm and sunny conditions in spring 2018, but then had not enough water available to their roots when the summer heat wave hit. Grasslands “browned-down” during the drought, causing to shortages of hay for cattle, and many crops produced the lowest yields in decades, causing financial losses for many industrial sectors. “Several studies show that the dryness of the soil affected the plants even more than e.g. the high temperature and the humidity of the air,” explains Ana Bastos, a scientist at Max Planck Institute, Germany, and one of the lead authors of the theme issue.
Many of the studies found that on the European scale, the forests protected themselves by reducing their evaporation and growth, leading to decreased uptake of carbon dioxide. Carbon sinks decreased in general by 18% according to a study covering 56 sites. The dry conditions even turned some ecosystems from sinks into sources.
As notable exception, however, rewetted peatlands seemed to survive better. “The drought lead to an impressive gain in new vegetation at our rewetted peatland site, which became a CO2 sink for the first time since rewetting despite increased respiratory CO2 losses”, explains Torsten Sachs, scientist at the GFZ German Research Centre for Geoscience, who contributed to two of the studies in collaboration with colleagues at the University of Rostock. “Additionally, in the year following the drought, methane emissions were significantly reduced, indicating a lasting shift to more non-methanogenic decomposition pathways.” This is good news since rewetting peatlands is one of the means widely used to mitigate the consequences of the climate change. “Another benefit of rewetted peatlands is the water retention in the landscape and regional cooling effects from evapotranspiration”, adds Pia Gottschalk, also at GFZ. “While evapotranspiration significantly increased at the peatland sites, the increase in mean annual temperature was about 20% less then at the drought-affected forest, crop, and grassland sites.”
Further, these studies show that the response of the vegetation to an extremely dry summer is strongly dependent on the conditions of the previous spring and even winter. In some parts of the Europe, the winter 2018 was wet, leaving a lot of soil moisture in the ground, while spring was sunny and came early - this caused the vegetation to grow more than average in spring, taking up more carbon from the atmosphere than usual. In some places, this early spring growth was enough to offset the reduction of carbon uptake later in summer. “If the scientific community could predict such droughts and their impacts several months prior to the drought, it would help in adapting to changing climate conditions,” ponders Professor Wouter Peters from the University of Wageningen, the Netherlands. Peters is one of the lead authors or the theme issue.
Joint research effort of over 200 top scientists
The 17 studies represent the work of over 200 scientists within the ICOS research infrastructure, representing all European top universities and research institutes. The scientists participating in the research effort cooperated extremely well, gathering a vast amount of data, points out Alex Vermeulen, co-organiser of the study and Director of the ICOS Carbon Portal: “We had open data exchange during process, resulting in the unique data sets openly available through ICOS Carbon Portal” (Link). The first data sets were available already within 6 months since starting the initiative.
This all was possible thanks to the existing infrastructure and data of ICOS, the Integrated Carbon Observation System, which continuously measures important climate variables over 140 stations across Europe. The long-term high-quality data provided allows for reaching scientific results faster than in traditionally conducted studies.
“Being able to produce unique data sets and results in such a short time shows that research infrastructures such as ICOS are powerful tools enabling high-quality research. To adapt to the changing climate, we cannot rely on tens-of-years-old-knowledge: We must have timely information about the state of the Earth,” states Philippe Ciais, Research Director at the Laboratoire des Sciences du Climat et de l’Environnement (LSCE), France, and one of the organisers and editors of the theme issue.
“These drought studies demonstrate that the ICOS community is able to collaborate across disciplines, integrate various data streams and bring forth new knowledge to solve the challenges climate change sets all of us,” says Werner Kutsch, Director General of ICOS.
ICOS Science Conference presents the results of the studies in 14-17 September
ICOS organises its Science Conference online on 14-17 September 2020. Many of the results are being presented by the authors in the Session 2 of the conference, on Tuesday at 14-15.30. The ICOS conference program is available on the ICOS website, and registration is free of charge. Oral sessions are recorded for the participants.
Original study: F. Koebsch, P. Gottschalk, F. Beyer, C. Wille, G. Jurasinski and T. Sachs, 2020. The impact of occasional drought periods on vegetation spread and greenhouse gas exchange in rewetted fens. Philosophical Transactions of the Royal Society B.
DOI: doi.org/10.1098/rstb.2019.0685
Original study: A. Graf et al., 2020. Altered energy partitioning across terrestrial ecosystems in the European drought year 2018. Philosophical Transactions of the Royal Society B. DOI: doi.org/10.1098/rstb.2019.0524
Dürre in Europa: Weniger CO2 wird gebunden und Ernten fallen schlechter aus
Das Netzwerk zur Beobachtung von Treibhausgasen ICOS (Integrated Carbon Observation System) zeigt, wie Natur und Ernte in Europa auf die extrem trockenen Bedingungen in den letzten drei Sommern 2018 bis 2020 reagiert haben. Die Ergebnisse, die jetzt im Fachjournal „Philosophical Transactions B“ veröffentlicht worden sind, zeigen, dass 2018 die Kohlenstoffsenken um 18 Prozent zurückgegangen sind und es die niedrigsten Ernteerträge seit Jahrzehnten gab. Die Fachleute erwarten, dass extrem heiße und trockene Sommer aufgrund des Klimawandels in Zukunft viel häufiger auftreten werden. Dies ist bereits jetzt sichtbar, denn der vergangene Sommer ist der dritte extrem heiße Sommer in Folge. Auch die von Dürreperioden betroffenen Anbauflächen werden wahrscheinlich erheblich zunehmen, wenn die Kohlendioxid-Werte weiter ansteigen.
Im Sommer 2018 war die bisher größte Fläche in Europa von extremer Trockenheit betroffen. In vielen Regionen Mitteleuropas und im Vereinigten Königreich wurden Temperaturrekorde gebrochen, in nordeuropäischen Ländern kam es zu Bränden und viele Regionen verzeichneten Ernteausfälle.
Insgesamt 17 Studienergebnisse, die heute in einer Sonderausgabe von Philosophical Transactions B veröffentlicht werden, zeigen, wie die Vegetation in Europa auf die Trockenheit reagiert, d. h. wie der Kohlenstoffaustausch zwischen Vegetation und Atmosphäre beeinflusst wird. Die Studien decken Gebiete von Spanien bis Schweden und Finnland, von der Tschechischen Republik über Deutschland, Frankreich und Belgien bis zu den Niederlanden und dem Vereinigten Königreich ab. Die Studien zu Trockenheit liefern entscheidendes Wissen, um die negativen Auswirkungen des Klimawandels zu minimieren.
Den vorgestellten Ergebnissen zufolge profitierten die Pflanzen zunächst von warmen und sonnigen Bedingungen im Frühjahr 2018, hatten dann aber nicht genügend Wasser für ihre Wurzeln zur Verfügung, als die sommerliche Hitzewelle einsetzte. Während der Dürre wurde das Grasland braun, was zu einem Mangel an Heu für das Vieh führte, und viele Feldfrüchte brachten die niedrigsten Erträge seit Jahrzehnten, was für eine Reihe von Industriezweigen finanzielle Verluste verursachte. „Mehrere Studien zeigen, dass die Trockenheit des Bodens die Pflanzen noch stärker beeinträchtigte als z.B. die hohe Temperatur und die Luftfeuchtigkeit“, erklärt Ana Bastos, Wissenschaftlerin am Max-Planck-Institut für Biogeochemie in Jena und eine der Hauptautorinnen des Themenhefts.
Viele der Studien ergaben, dass sich die Wälder auf europäischer Ebene durch eine Verringerung der Verdunstung und des Wachstums schützten, was zu einer verminderten Aufnahme von Kohlendioxid führte. Die Kohlenstoffsenken verringerten sich laut einer Studie, die 56 Standorte umfasste, im allgemeinen um 18 Prozent. Die trockenen Bedingungen machten sogar einige Ökosysteme von Senken zu Quellen.
Als bemerkenswerte Ausnahme schienen jedoch wiedervernässte Torfgebiete besser zu überleben. „Die vorübergehende Trockenheit führte zu einem beeindruckenden Zuwachs an neuer Vegetation an unserem wiedervernässten Torfstandort, der trotz erhöhter respiratorischer CO2-Verluste erstmals seit der Wiedervernässung zu einer CO2-Senke wurde“, erklärt Torsten Sachs, Wissenschaftler am Deutschen GeoForschungsZentrum GFZ, der an zwei der Studien in Zusammenarbeit mit Forschenden der Universität Rostock beteiligt war. „Darüber hinaus wurden im Jahr nach der Dürre die Methanemissionen deutlich reduziert, was auf eine dauerhafte Verlagerung hin zu mehr nicht-methanogenen Zersetzungswegen hindeutet.“ Das ist den Forschenden zufolge eine gute Nachricht, denn die Wiedervernässung von Torfgebieten ist eines der Mittel, die häufig zur Milderung der Folgen des Klimawandels eingesetzt werden. „Weitere Vorteile der Wiedervernässung von Torfmooren sind die Wasserrückhaltung in der Landschaft und regionale Kühleffekte durch Evapotranspiration“, fügt Pia Gottschalk, ebenfalls vom GFZ, hinzu. „Während die Evapotranspiration an den Torfstandorten deutlich zunahm, war der Anstieg der Jahresmitteltemperatur etwa zwanzig Prozent geringer als an den von der Dürre betroffenen Wald-, Kultur- und Grünlandstandorten.“
Weiterhin zeigen diese Studien, dass die Reaktion der Vegetation auf einen extrem heißen und trockenen Sommer deutlich von den Witterungsverhältnissen im vorangehenden Frühjahr und sogar Winter abhängt. In einigen Teilen Europas war der Winter 2018 feucht und führte somit zu einer hohen Bodenfeuchtigkeit, während das sonnige Frühjahr bereits früh begann. Dies hatte zur Folge, dass die Vegetation überdurchschnittlich stark im Frühjahr gedieh und mehr Kohlenstoff als üblich aus der Atmosphäre aufnahm. An einigen Orten reichte dieses Frühjahrswachstum aus, um die später im Sommer reduzierte Kohlenstoffaufnahme in der Jahresbilanz auszugleichen. „Es würde helfen, könnte die wissenschaftliche Gemeinschaft derartige Trockenzeiten und deren Auswirkungen einige Monate im Voraus prognostizieren. Wir könnten uns so einfacher an die wechselnden Klimabedingungen anpassen“, sagt Professor Wouter Peters von der Universität Wageningen, Niederlande. Peters ist ebenfalls einer der Hauptautor*innen dieses Themenhefts.
Gemeinsame Forschungsbemühungen von über 200 hochrangigen Forschenden
Die 17 Studien sind das Ergebnis der Forschungsarbeiten von über 200 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern innerhalb der ICOS-Forschungsinfrastruktur, an der viele europäische Spitzenuniversitäten und Forschungsinstitute beteiligt sind. Die Forschenden, die an den Arbeiten beteiligt waren, haben sehr gut zusammengearbeitet und große Datenmengen zusammengetragen, betont Alex Vermeulen, Mitorganisator der Studie und Leiter des ICOS Carbon Portals. „Wir hatten einen offenen Datenaustausch während des gesamten Prozesses, wodurch einzigartige Datensätze gesammelt werden konnten, die über das ICOS Carbon Portal öffentlich zugänglich sind“ (Link). Die ersten Datensätze waren bereits sechs Monate nach Start der Initiative verfügbar.
Ermöglicht wurde dies durch die existierende Infrastruktur und die Daten von ICOS (Integrated Carbon Observation System), dem Netzwerk zur Beobachtung von Treibhausgasen, das in 140 Stationen europaweit die kontinuierliche Messung wichtiger Klimaveränderungen vornimmt. Über die bereitgestellten hochwertigen Langzeitdaten können wissenschaftliche Ergebnisse schneller als bei herkömmlich durchgeführten Studien erzielt werden.
„Die Möglichkeit, einzigartige Datensätze und Ergebnisse in so kurzer Zeit zu produzieren, zeigt, dass Forschungsinfrastrukturen wie ICOS leistungsstarke Werkzeuge für hochwertige Forschung sind. Um uns an die wechselnden Klimabedingungen anzupassen, können wir uns nicht auf jahrzehntealtes Wissen verlassen. Wir brauchen zeitnahe Informationen über den Zustand der Erde“, sagt Philippe Ciais, Forschungsleiter des Laboratoire des Sciences du Climat et de l‘Environnement (LSCE, Labor für Klima- und Umweltwissenschaften in Frankreich) und einer der Organisator*innen und Herausgeber*innen dieses Themenhefts.
„Diese Studien zur Trockenheit zeigen, dass die ICOS-Gemeinschaft in der Lage ist, interdisziplinäre Zusammenarbeit zu organisieren, unterschiedliche Datenreihen zusammenzustellen und neues Wissen voranzutreiben, um den Herausforderungen gerecht zu werden, die der Klimawandel uns allen abverlangt“, sagt Werner Kutsch, Generaldirektor von ICOS.
Vorstellung der Ergebnisse der Studien auf der ICOS-Wissenschaftskonferenz zwischen 14. und 17. September
ICOS organisiert vom 14. bis 17. September 2020 eine Online-Wissenschaftskonferenz. Viele der Ergebnisse werden von den Autorinnen und Autoren in der Konferenzsitzung 2 am Dienstag zwischen 14:00 bis 15:30 Uhr vorgestellt. Das ICOS-Konferenzprogramm ist auf der ICOS-Website verfügbar. Die Anmeldung erfolgt kostenlos. Sitzungen werden für Teilnehmende aufgezeichnet.
Originalstudie: F. Koebsch, P. Gottschalk, F. Beyer, C. Wille, G. Jurasinski and T. Sachs, 2020. The impact of occasional drought periods on vegetation spread and greenhouse gas exchange in rewetted fens. Philosophical Transactions of the Royal Society B. DOI: doi.org/10.1098/rstb.2019.0685
Originalstudie: A. Graf et al., 2020. Altered energy partitioning across terrestrial ecosystems in the European drought year 2018. Philosophical Transactions of the Royal Society B. DOI: doi.org/10.1098/rstb.2019.0524
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