Process-based modelling of lichens and bryophytes and their role in global biogeochemical cycles

This thesis presents a process-based modelling approach to quantify carbon uptake by lichens and bryophytes at the global scale. Based on the modelled carbon uptake, potential global rates of nitrogen fixation, phosphorus uptake and chemical weathering by the organisms are estimated. In this way, the significance of lichens and bryophytes for global biogeochemical cycles can be assessed. The model uses gridded climate data and key properties of the habitat (e.g. disturbance intervals) to predict processes which control net carbon uptake, namely photosynthesis, respiration, water uptake and evaporation. It relies on equations used in many dynamical vegetation models, which are combined with concepts specific to lichens and bryophytes, such as poikilohydry or the effect of water content on CO2 diffusivity. To incorporate the great functional variation of lichens and bryophytes at the global scale, the model parameters are characterised by broad ranges of possible values instead of a single, globally uniform value. The predicted terrestrial net uptake of 0.34 to 3.3 Gt / yr of carbon and global patterns of productivity are in accordance with empirically-derived estimates. Based on the simulated estimates of net carbon uptake, further impacts of lichens and bryophytes on biogeochemical cycles are quantified at the global scale. Thereby the focus is on three processes, namely nitrogen fixation, phosphorus uptake and chemical weathering. The presented estimates have the form of potential rates, which means that the amount of nitrogen and phosphorus is quantified which is needed by the organisms to build up biomass, also accounting for resorption and leaching of nutrients. Subsequently, the potential phosphorus uptake on bare ground is used to estimate chemical weathering by the organisms, assuming that they release weathering agents to obtain phosphorus. The predicted requirement for nitrogen ranges from 3.5 to 34 Tg / yr and for phosphorus it ranges from 0.46 to 4.6 Tg / yr. Estimates of chemical weathering are between 0.058 and 1.1 km³ / yr of rock. These values seem to have a realistic order of magnitude and they support the notion that lichens and bryophytes have the potential to play an important role for global biogeochemical cycles.

In dieser Doktorarbeit wird ein prozessbasiertes Modell zur Quantifizierung der Kohlenstoffaufnahme von Flechten und Moosen auf der globalen Skala vorgestellt. Ausgehend von der modellierten Kohlenstoffaufnahme werden globale Raten der Stickstofffixierung, der Phosphoraufnahme und der chemischen Verwitterung durch die Organismen abgeschätzt. Auf diese Weise kann die Bedeutung von Flechten und Moosen für globale biogeochemische Stoffkreisläufe beurteilt werden. Das Modell benutzt gerasterte Klimadaten und Schlüsseleigenschaften des Habitats (z.B. Störungsintervalle) um diejenigen Prozesse vorherzusagen, welche die Netto-Kohlenstoffaufnahme kontrollieren, beispielsweise Photosynthese, Atmung, Wasseraufnahme und Verdunstung. Das Modell basiert auf Gleichungen die in vielen dynamischen Vegetationsmodellen benutzt werden und kombiniert diese mit Konzepten die für Flechten und Moose spezifisch sind, z.B. Poikilohydrie oder die Beziehung zwischen Wassergehalt und Diffusivität für CO2. Um die große funktionelle Vielfalt der Flechten und Moose auf der globalen Skala zu berücksichtigen, haben die Modellparameter weite Bereiche möglicher Werte anstelle eines einzelnen, global einheitlichen Werts. Die berechnete terrestrische Netto-Kohlenstoffaufnahme von 0.34 bis 3.3 Gt pro Jahr und die globale Verteilung der Produktivität stimmen mit empirischen Schätzungen überein. Auf Grundlage der modellierten Abschätzung der Netto-Kohlenstoffaufnahme werden weitere Einflüsse von Flechten und Moosen auf globale biogeochemische Stoffkreisläufe quantifiziert. Dabei liegt der Schwerpunkt auf drei Prozessen, nämlich Stickstofffixierung, Phosphoraufnahme und chemische Verwitterung. Die hier vorgestellten Abschätzungen sind potentielle Raten, d.h. die Menge an Stickstoff und Phosphor welche die Organismen zum Aufbau von Biomasse benötigen wird quantifiziert, wobei auch die Resorption und die Auswaschung von Nährstoffen berücksichtigt wird. Anschließend wird die potentielle Phosphoraufnahme auf Gestein benutzt um die chemische Verwitterung durch die Organismen zu berechnen, unter der Annahme dass sie verwitterungsaktive Substanzen freisetzen um an Phosphor zu gelangen. Der berechnete Bedarf nach Stickstoff liegt zwischen 3.5 und 34 Tg pro Jahr und nach Phosphor zwischen 0.46 und 4.6 Tg pro Jahr. Die geschätzte chemische Verwitterung liegt zwischen 0.058 und 1.1 km³ Gestein pro Jahr. Diese Werte haben eine realistische Größenordnung und sie bestätigen, dass Flechten und Moose potentiell eine wichtige Rolle für globale biogeochemische Stoffkreisläufe spielen.