Climate control of terrestrial carbon exchange across biomes and continents

Peer reviewe

Direct measurements of CO2 flux below a spruce forest canopy

We applied the eddy covariance technique below the canopy of a mature Norway spruce (Picea abies) forest in SE Germany, with a dense ground cover of the grasses Calamagrostis villosa and Deschampsia flexuosa. Measurements were carried out during three field campaigns between May and November 1999. Data quality analysis led to the exclusion of around 61% of flux measurements. Chamber measurements of soil CO2 efflux at the same site showed that the micro-meteorological measurements systematically under-estimate the night-time CO2 efflux on average by about 41%. By correcting the eddy covariance flux on the basis of chamber measurements, flux measurements over a larger area could be obtained, and so it was possible to calculate the daytime gross assimilation flux for the ground vegetation averaged for each of four 4-week periods. Separation of fluxes according to grass species (by wind sectors) showed no detectable difference in CO2 flux, but scarcity of data following quality tests meant that comparisons were limited to selected periods only. Light response curves of the corrected flux values indicate different saturation values for the gross assimilation rates in each period, which reflect the phenological development of the grasses, as well as differences in environmental conditions. On the basis of mean day-time assimilation by ground vegetation, the contribution to the total gross assimilation of the stand was estimated as between 3 and 12% at different times of the year. About 30% of the carbon emitted annually as CO2 from the soil is estimated to be assimilated by the ground vegetation (ca. 170 g C m-2 year-1)

A Model Coupling Foliar Monoterpene Emissions to Leaf Photosynthetic Characteristics in Mediterranean Evergreen Quercus Species.

Abstract not availableJRC.H-Institute for environment and sustainability (Ispra

Environmental and endogenous controls on leaf- and stand-level water conductance in a Scots pine plantation

Measurements of leaf level gas exchange and conductance, tree transpiration via sapflow monitoring, soil moisture and water extraction, predawn water potential, and xylem abscisic acid (ABA) concentration were carried out over the course of the 1993 and 1994 summer seasons at the Hartheim Pinus sylvestris plantation on the Upper Rhein Plain, Germany. Periodic leaf level conductance determinations with porometry established a maximum value of ca 280 mmol m-2 s-1 (13.6 mm s-1 ). Half maximal conductance was attained at 40 μmol m- 2 s-1 and 90 % of light saturation occurred at ca 500 μmol m-2 s -1 PPFD. Conductance decreased strongly with increases in vapor pressure deficit above 10 hPa, while the temperature optimum was 22 °C at light saturation. Strong restrictions on maximum conductance at both leaf and stand levels were apparent below a soil moisture content of 16 volume percent. Although less strongly, conductance also decreased with initial drying of the upper soil layers and decreases in predawn water potential from -0.4 to -0.6 MPa. In this range of water potential change, xylem ABA increased to between 200 and 500 nmol L-1. Thus, an immediate leaf-level reaction to the onset of summer weather conditions is observed, i.e. leaf conductance and water use decrease. We hypothesize that ABA functions as a key control on water balance, transmitting information about soil water status and endogenously modifying canopy response in order to budget water and avoid extensive cavitation damage in most years. Transpiration potential of the stand was reduced by thinning during autumn 1993 in approximate proportion to changes in leaf area index and sapwood area. Simultaneous observations of sapflow and conductance have allowed us to view the effects of leaf conductance on whole plant water use, while thinning revealed the effects of stand level phenomena on conductance regulation. (© Inra/Elsevier, Paris.)Contrôle environnemental et endogène de la conductance stomatique et du couvert dans une plantation de pins sylvestres. Des mesures de l'échange du gaz et de la conductance stomatique de l'eau, de la transpiration par deux méthodes de mesure du flux de sève, de l'humidité du sol et de l'extraction de l'eau du sol, du potentiel hydrique foliaire de base et de la concentration en acide absissique (ABA) dans l'aubier ont été réalisées au cours des étés 1993 et 1994 dans une plantation de pins sylvestres dans la plaine rhénane au sud-ouest de l'Allemagne, près du village de Hartheim. Les mesures périodiques de la conductance stomatique ont montré une valeur maximale de 280 mmol m-2 s-1 (13,6 mm s-1). Le demi-maximum de la conductance stomatique était atteint pour un rayonnement de 40 μmol m-2 s-1 et la conductance était établie à 90 % du maximum lors d'une exposition à 500 μmol m-2 s-1. La conductance était diminuée rapidement dès que le déficit de saturation de l'air dépassait 10 hPa. L'optimum de la conductance était atteint pour une température de 22 °C, en condition de lumière saturante. Au-dessous d'une humidité volumique du sol de 16 %, la conductance foliaire ainsi que la conductance du couvert étaient fortement limitées. La conductance diminuait aussi, mais moins fort, pour un dessèchement initial des couches supérieures du sol, correspondant à une diminution de -0,4 à -0,6 MPa du potentiel hydrique foliaire de base. Dans les limites de cette variation du potentiel hydrique, la concentration de l'ABA dans l'aubier est passée de 200 à 500 nmol l -1. Ainsi, une réaction immédiate a pu être observée au niveau des feuilles au moment de l'installation des conditions estivales, c'est-à-dire une diminution de la conductance stomatique et de consommation en eau. Nous supposons que l'ABA occupe une position clé dans le bilan hydrique en transmettant des informations sur les conditions hydriques dans le sol et en modifiant la réponse du peuplement à ces conditions pour maintenir le budget d'eau, et pour protéger les arbres contre des dommages durables causés par cavitation. La transpiration potentielle du couvert a été diminuée par une éclaircie en automne 1993, approximativement proportionnellement aux modifications de la surface du bois d'aubier et de l'indice foliaire (LAI). Les mesures simultanées de flux de sève et de conductance nous ont permis d'examiner les effets de la conductance stomatique sur l'utilisation de l'eau à l'échelle de l'arbre, tandis que l'éclaircie révélait les effets des phénomènes à l'échelle du peuplement sur la régulation de la conductance stomatique. (© Inra/Elsevier, Paris.

Temporal and spatial variation in transpiration of Norway spruce stands within a forested catchment of the Fichtelgebirge, Germany

Tree transpiration was observed with sapflow methods in six Norway spruce (Picea abies) stands located in the Lehstenbach catchment, Fichtelgebirge, Germany, differing in age (40 years up to 140 years), structure, exposition and soil characteristics. The seasonal pattern in tree canopy transpiration, with the highest transpiration rates in July, was very similar among the stands. However, young dense stands had higher transpiration compared to older less dense stands. Because of forest management practices, stand density decreases with increasing stand age and provides the best predictor of canopy water use. Measured xylem sapflux density did not differ significantly among stands, e.g. vary in correlation with stand density. Thus, differences in canopy transpiration were related to differences in cumulative sapwood area, which decreases with age and at lower tree density. While both total sapwood area and individual tree sapwood area decrease in older less dense stands, leaf area index of the stands remains high. Thus, transpiration or physiological activity of the average individual needle must decrease. Simulations with a three-dimensional stand model suggest that stand structural changes influence light climate and reduce the activity of the average needle in the stands. Nevertheless, age and nutrition must be considered with respect to additional direct effects on canopy transpiration. (© Inra/Elsevier, Paris.)Variations spatiotemporelles de la transpiration de peuplements d'épicéas dans un bassin-versant du Fichtelgebirge (Allemagne). La transpiration des arbres a été évaluée au moyen de méthodes de mesure du flux de sève dans six peuplements d'épicéas (Picea abies), situés dans le bassin-versant du Lehstenbach, Fichtelgebirge (Allemagne), qui différaient en âge (40 à 140 ans), structure, exposition, et en caractéristiques de sol. L'allure des variations saisonnières de la transpiration des arbres, avec notamment un maximum en juillet, était très similaire entre ces peuplements. Néanmoins, les jeunes peuplements denses ont montré une plus forte transpiration que les peuplements âgés et moins denses. La densité du peuplement s'est avérée être la meilleure variable explicative de la transpiration, car les pratiques sylvicoles réduisent la densité des peuplements en fonction de l'âge. La densité de flux de sève n'a pas montré de différences significatives entre les peuplements. Ainsi, les différences de transpiration étaient seulement dues aux différences de surface de bois d'aubier, qui diminue avec l'âge et la densité. Alors que la surface de bois d'aubier à l'échelle du peuplement comme à celle de l'arbre diminuaient dans les peuplements âgés et peu denses, l'indice foliaire de tous les peuplements étudiés restait élevé. Ainsi, il est probable que la transpiration ou l'activité physiologique des aiguilles diminuent avec l'âge des arbres. Des simulations réalisées au moyen d'un modèle de couvert 3D suggèrent que les modifications de structure des peuplements influencent le microclimat lumineux et réduisent l'activité foliaire. Malgré tout, l'âge et la nutrition doivent être pris en compte dans leurs effets sur la transpiration des arbres. (© Inra/Elsevier, Paris.

Variation in forest gas exchange at landscape to continental scales

The European Community project EUROFLUX has established the first network for monitoring and comparing gas exchange of forest ecosystems via eddy covariance techniques at the continental scale, applying both standardized instrumentation and software. The EUROFLUX workshop entitled 'Water Flux Regulation in Forest Stands' reviewed at the start of the project our current understanding of water relations and water balances in European forests. Recent studies of transpiration via sapflow monitoring methods were highlighted and the view of water flux regulation that they provide was examined. Studies of sapflow are being carried out at EUROFLUX sites together with above canopy flux measurements in order to characterize function of the tree canopy compartment. Sapflow studies at additional European sites extend the environmental gradients along which water fluxes are being observed, e.g. by including forests of riparian zones and of high elevation. Achieving an understanding of forest gas exchange response and forest acclimation potential along climate gradients, and especially in response to environmental stresses at the extreme of the gradients, is essential for integrating information on fluxes and biogeochemistry at landscape, regional and continental scales. (© Inra/Elsevier, Paris.)Variations des échanges gazeux des forêts de l'échelle locale à l'échelle continentale. Le projet européen Euroflux a mis en place le premier réseau de mesure et de comparaison des échanges gazeux au-dessus des écosystèmes forestiers à l'échelle continentale, au moyen de la méthode des corrélations turbulentes, en utilisant une instrumentation et des procédures de traitement standardisées. L'atelier de travail Euroflux intitulé « Régulation des flux hydriques dans les peuplements forestiers » a évalué au départ du projet les connaissances actuelles sur les relations hydriques et les bilans hydriques dans les forêts européennes. Les études récentes de la transpiration des arbres via les techniques de mesure du flux de sève brute ont été mises en avant, et les résultats concernant la régulation des flux hydriques ont été examinés. Dans les différents sites Euroflux, des mesures de flux de sève sont mises en œuvre parallèlement à la mesure des flux au-dessus des couverts, dans le but de caractériser le fonctionnement du compartiment foliaire des arbres. Des mesures de flux de sève réalisées dans des sites européens additionnels accroissent l'étendue du gradient d'observations des flux hydriques, en incluant par exemple des forêts alluviales et d'altitude. Parvenir à une meilleurs compréhension des échanges gazeux par les forêts, et de leur acclimatation potentielle le long des gradients climatiques, et notamment de leur réponse aux contraintes en situations extrêmes, est essentiel pour pouvoir faire la synthèse des informations sur les flux et sur la biogéochimie aux échelles locale, régionale et continentale. (© Inra/Elsevier, Paris.

Stomatal Constraints May Affect Emission of Oxygenated Monoterpenoids from the Foliage of Pinus pinea

Dependence of monoterpenoid emission and fractional composition on stomatal conductance (G(V)) was studied in Mediterranean conifer Pinus pinea, which primarily emits limonene and trans-β-ocimene but also large fractions of oxygenated monoterpenoids linalool and 1,8-cineole. Strong decreases in G(V) attributable to diurnal water stress were accompanied by a significant reduction in total monoterpenoid emission rate in midday. However, various monoterpenoids responded differently to the reduction in G(V), with the emission rates of limonene and trans-β-ocimene being unaffected but those of linalool and 1,8-cineole closely following diurnal variability in G(V). A dynamic emission model indicated that stomatal sensitivity of emissions was associated with monoterpenoid Henry's law constant (H, gas/liquid phase partition coefficient). Monoterpenoids with a large H such as trans-β-ocimene sustain higher intercellular partial pressure for a certain liquid phase concentration, and stomatal closure is balanced by a nearly immediate increase in monoterpene diffusion gradient from intercellular air-space to ambient air. The partial pressure rises also in compounds with a low H, but more than 1,000-fold higher liquid phase concentrations of linalool and 1,8-cineole are necessary to increase intercellular partial pressure high enough to balance stomatal closure. The system response is accordingly slower, and the emission rates may be transiently suppressed by low G(V). Simulations further suggested that linalool and 1,8-cineole synthesis rates also decreased with decreasing G(V), possibly as the result of selective inhibition of various monoterpene synthases by stomata. We conclude that physicochemical characteristics of volatiles not only affect total emission but also alter the fractional composition of emitted monoterpenoids