How does uplift and erosion affect the distribution and evolution of life in arid environments?

Does active uplift play a more important role than erosional down-wearing of an elevated plateau? What is the importance of vegetation and vegetation type in controlling fluvial erosional efficiency and weathering in arid environments that are characterized by high variability in rainfall?

Studying the co-evolution of life and landform, modulated by climate, is significant because it leads to understanding the present-day diversity of life on the Earth surface. We also need to understand what are the mechanisms (uplift, erosion, climate variations, etc.) that led to this distribution and the conditions (dry vs wet climate, high vs low uplift rate, etc.) under which this happened. Of primary interest to us is to investigate the links between life and landforms in a dry to arid environment at a range of scales, i.e., from the orogenic scale to the catchment scale.

This project is part of a CRC that aims at understanding the evolution of the Earth system at or near the dry limit. The CRC is managed from the University of Cologne. At the GFZ, the Earth Surface Process Modeling section has been put in charge of developing and using a complete modeling framework to address these questions in a quantitative manner and provide an integrator for the many observations made in other projects of the CRC.

At the GFZ, we have developed a numerical framework combining AdaScape, an ecological-evolutionary model, to FastScape, a landscape evolution model that also incorporates an orographic rainfall model. We have used it to perform a series of numerical experiments that were calibrated and validated by a broad range of tectonic, climatic and biological observations from the Atacama Desert and the adjacent Altiplano. We have demonstrated that plant diversification patterns (obtained from phylogenetic information) caused by the progressive uplift of the Altiplano van be used to provide constraints on the timing of the plateau uplift. Results obtained by performing thousands of model experiments demonstrate that uplift of the central part of the plateau is relatively young (compared to uplift of the western and eastern cordilleras).

Future work will focus on the importance of active uplift on diversification by comparing data and model predictions in two different environments, namely the Atacama and Namib deserts.

Project duration: 8 years from January 2020 to December 2027

Funding agencies: DFG - CRC EARTH Evolution at the Dry Limit

Funding Amount: 1 post-doctoral Fellowships (2 x 4 years)

Section researchers involved: Dr. Esteban Acevedo-Trejos, Dr. Bethany Allen and Prof. Jean Braun

Cooperations:

• University of Cologne, Germany
• University of Aachen, Germany
• University of Bonn, Germany

Contact: Prof. Jean Braun

Wie wirken sich Hebung und Erosion auf die Verteilung und Entwicklung von Leben in trockenen Umgebungen aus?

Spielt die aktive Hebung eine wichtigere Rolle als die Erosion eines Hochplateaus? Welche Bedeutung hat die Vegetation und der Vegetationstyp für die Kontrolle der Effizienz der fluvialen Erosion und der Verwitterung in trockenen Umgebungen, die durch eine hohe Variabilität der Niederschläge gekennzeichnet sind?

Die Untersuchung der Koevolution von Leben und Landschaftsform, die durch das Klima beeinflusst wird, ist von Bedeutung, da sie zum Verständnis der heutigen Vielfalt des Lebens auf der Erdoberfläche führt. Wir müssen auch verstehen, welche Mechanismen (Hebung, Erosion, Klimaschwankungen usw.) zu dieser Verteilung geführt haben und unter welchen Bedingungen (trockenes vs. feuchtes Klima, hohe vs. niedrige Hebungsrate usw.) dies geschehen ist. Unser Hauptinteresse gilt der Untersuchung der Zusammenhänge zwischen Leben und Landformen in einer trockenen bis ariden Umgebung auf verschiedenen Skalen, d. h. von der orogenen Skala bis zur Einzugsgebietskala.

Dieses Projekt ist Teil eines CRC, das darauf abzielt, die Entwicklung des Erdsystems an oder nahe der Trockengrenze zu verstehen. Das CRC wird von der Universität zu Köln aus geleitet. Am GFZ wurde die Sektion „Earth Surface Process Modelling“ mit der Entwicklung und Nutzung eines vollständigen Modellierungsrahmens beauftragt, um diese Fragen quantitativ zu beantworten und einen Integrator für die vielen Beobachtungen bereitzustellen, die in anderen Projekten des CRC gemacht wurden.

Am GFZ haben wir ein numerisches Rahmenwerk entwickelt, das AdaScape, ein ökologisch-evolutionäres Modell, mit FastScape, einem Landschaftsentwicklungsmodell, das auch ein orographisches Niederschlagsmodell enthält, kombiniert. Wir haben es verwendet, um eine Reihe numerischer Experimente durchzuführen, die durch eine Vielzahl tektonischer, klimatischer und biologischer Beobachtungen aus der Atacama-Wüste und dem angrenzenden Altiplano kalibriert und validiert wurden. Wir haben nachgewiesen, dass die durch die fortschreitende Hebung des Altiplano verursachten Diversifizierungsmuster der Pflanzen (die aus phylogenetischen Informationen gewonnen wurden) genutzt werden können, um den Zeitpunkt der Hebung des Plateaus einzuschränken. Die Ergebnisse von Tausenden von Modellexperimenten zeigen, dass die Hebung des zentralen Teils des Plateaus relativ jung ist (im Vergleich zur Hebung der westlichen und östlichen Kordilleren).

Zukünftige Arbeiten werden sich auf die Bedeutung der aktiven Hebung für die Diversifizierung konzentrieren, indem Daten und Modellvorhersagen in zwei verschiedenen Umgebungen, nämlich den Wüsten Atacama und Namib, verglichen werden.

Projektdauer: 8 Jahre von Januar 2020 bis Dezember 2027

Förderer: DFG - CRC EARTH Evolution an der Trockengrenze

Förderbetrag: 1 Postdoc-Stipendium (2 x 4 Jahre)

Beteiligte Forscher der Sektion: Dr. Esteban Acevedo-Trejos, Dr. Bethany Allen und Prof. Jean Braun

Kooperationen:

• Universität zu Köln, Deutschland
• Universität Aachen, Deutschland
• Universität Bonn, Deutschland

Kontakt: Prof. Jean Braun