Amacher, Michael C.

Hoffmann, Leticia L.

DigitalCommons@USU

Methods	  References	  Artemisia	  tridentata	  Mesocosm:	  	  Annual	  Water	  Usage	  and	  Water	  Balance	  Na0ve	  plants	  in	  the	  Great	  Basin	  such	  as	  big	  sagebrush	  (Artemisia	  tridentata	  L.)	  do	  not	  receive	  supplemental	  irriga0on	  and	  must	  rely	  on	  water	  storage	  within	  the	  soil	  from	  snowmelt	  and	  rainfall.	  With	  changing	  climate	  likely	  to	  produce	  prolonged	  dry	  periods,	  detailed	  informa0on	  on	  soil	  water	  storage	  and	  water	  use	  by	  sagebrush	  tends	  to	  be	  lacking.	  The	  objec0ve	  of	  this	  study	  was	  to	  measure	  varia0ons	  in	  soil	  water	  storage	  and	  water	  use	  by	  sagebrush.	  Changes	  in	  water	  storage	  were	  monitored	  by	  depth	  with	  an	  AquaPro	  capacitance-­‐type	  water	  content	  sensor	  in	  an	  established	  sagebrush	  stand.	  LiKerfall	  mass	  was	  measured	  using	  screen-­‐type	  liKerfall	  collectors.	  Nitrogen	  content	  of	  sagebrush	  leaves	  and	  liKer	  was	  measured	  with	  a	  combus0on	  analyzer.	  Precipita0on	  accounts	  for	  a	  large	  por0on	  of	  the	  water	  used	  by	  sagebrush	  during	  wet	  years	  such	  as	  2011.	  In	  dry	  years	  such	  as	  2013,	  sagebrush	  must	  absorb	  more	  water	  from	  soil	  storage	  to	  meet	  plant	  demand.	  Moreover,	  when	  the	  aridity	  index	  (P/ET)	  of	  the	  soil	  is	  low,	  sagebrush	  must	  use	  significant	  amounts	  of	  water	  stored	  within	  the	  soil.	  Water	  distribu0on	  in	  the	  soil	  reaches	  a	  minimum	  during	  the	  late	  summer	  to	  fall	  (August-­‐November).	  Nitrogen	  concentra0on	  in	  leaf	  0ssue	  and	  liKer	  is	  affected	  by	  water	  availability	  and	  storage.	  There	  is	  less	  leaching	  of	  NO3	  in	  dry	  years.	  Solutes	  including	  NO3	  become	  concentrated	  in	  lower	  water	  content	  volume	  providing	  higher	  concentra0ons	  for	  root	  intercep0on.	  Roots	  exploit	  the	  soil	  profile	  to	  find	  H2O,	  encountering	  more	  nutrients	  such	  as	  N.	  In	  wet	  years,	  primary	  produc0on	  is	  greater	  than	  in	  dry	  years.	  The	  higher	  N	  content	  of	  2014	  leaf	  liKer	  is	  contributed	  by	  the	  higher	  N	  in	  2013	  leaf	  liKerfall.	  It	  is	  necessary	  to	  follow	  water	  balance	  and	  nutri0onal	  composi0on	  of	  sagebrush	  in	  wet	  and	  dry	  years	  to	  determine	  the	  dynamics	  that	  might	  be	  aKributed	  to	  climate	  change.	  Le6cia	  L.	  Hoffmann1	  and	  Michael	  C.	  Amacher2	  	  1Department	  of	  Biology,	  Utah	  State	  University,	  Logan,	  UT	  84322	  2Logan	  Forestry	  Sciences	  Laboratory,	  US	  Forest	  Service,	  Logan,	  UT	  84321	  Introduc0on	  •  Runoff	  =	  zero.	  •  Deep	   percola0on	   =	   Assumed	   to	   be	   zero	  during	  growing	  season.	  •  Irriga0on	  =	  zero.	  •  ET	  >	  Precipita0on	  	  Abstract	  	  Methods	  to	  Assess	  Water	  Usage	  and	  Water	  Balance	  in	  Big	  Sagebrush:	  	  Big	  Sagebrush	  (ARTR)	  soil	  water	  content	  data	  collec6on	  and	  analysis:	  •  Five	  years	  of	  soil	  water	  content	  data	  were	  collected	  from	  a	  mature	  big	  sagebrush	  (ARTR)	  stand	  (Logan	  Forestry	  Sciences	  Lab)	  at	  	  11	  sample	  points,	  using	  an	  AquaPro	  capacitance-­‐type	  water	  content	  sensor.	  •  Data	  were	  compiled	  and	  water	  use	  was	  calculated	  and	  graphed.	  •  Precipita0on	  (P)	  and	  evapotranspira0on	  (ET)	  data	  for	  USU,	  were	  obtained	  from	  the	  USU	  Climate	  Center.	  	  Big	  Sagebrush	  (ARTR)	  liGerfall	  and	  leaf	  6ssue	  sampling	  and	  analysis: •  Annual	  leaf	  liKer	  was	  collected	  on	  screen-­‐type	  liKerfall	  collectors	  	  from	  a	  mature	  big	  sagebrush	  (ARTR)	  stand	  at	  11	  sample	  points	  and	  placed	  into	  labeled	  paper	  bags	  in	  November.	  •  Samples	  were	  air-­‐dried,	  weighed,	  and	  ground	  to	  a	  fine	  powder	  with	  the	  use	  of	  a	  digital	  plant	  0ssue	  grinder.	  	  •  Leaf	  0ssue	  samples	  were	  collected	  in	  July,	  oven-­‐dried	  at	  60	  ⃝C,	  and	  ground	  in	  a	  Wiley	  mill.	  Leaf	  0ssues	  was	  analyzed	  for	  N	  content	  using	  a	  Leco	  Combus0on	  Analyzer.	  0	  200	  400	  600	  800	  1000	  1200	  2011	   2011.5	   2012	   2012.5	   2013	   2013.5	   2014	   2014.5	   2015	  Milimeters	  (mm)	  Year	  (March-­‐October)	  Fig	  1.	  Precipita6on	  vs	  ET	  P,	  mm	   ET,	  mm	  0.0	  200.0	  400.0	  600.0	  800.0	  1000.0	  1200.0	  2011	   2011.5	   2012	   2012.5	   2013	   2013.5	   2014	   2014.5	   2015	  Milimeters	  (mm)	  Year	  (Annual)	  Fig	  3.	  Precipita6on	  vs	  ET	  P,	  mm	   ET,	  mm	  Results:	  Water	  Supply	  &	  Demand	  &	  N	  content	  of	  ARTR	  USU	  Utah	  Climate	  Center,	  2015.	  Accessed:	  23	  October	  2015.	  hKps://climate.usurf.usu.edu/mapGUI/mapGUI.php	  •  2011	  was	  an	  overall	  wet	  year	  (Fig	  7),	  where	  as	  2013	  was	  an	  overall	  dry	  year	  (Fig	  8).	  •  During	  wet	  years	  	  the	  upper	  soil	  	  layers	  are	  saturated,	  lower	  layers	  unsaturated.	  10	  20	  30	  40	  50	  60	  70	  80	  5.0	   15.0	   25.0	   35.0	   45.0	   55.0	  Depth	  (cm)	  Soil	  Water	  Content,	  %	  Fig	  9.	  Soil	  Water	  Profile	  Comparison	  of	  8/5/11	  and	  10/4/11	  8/5/2011	   10/4/2011	   Difference	  10	  20	  30	  40	  50	  60	  70	  80	  5.0	   15.0	   25.0	   35.0	   45.0	   55.0	   65.0	  Depth	  (cm)	  Soil	  Water	  Content,	  %	  Fig	  10.	  Soil	  Water	  Profile	  Comparison	  of	  4/10/13	  and	  10/18/13	  4/10/2013	   10/18/2013	   Difference	  10.0	  15.0	  20.0	  25.0	  30.0	  35.0	  40.0	  2011	   2011.5	   2012	   2012.5	   2013	   2013.5	   2014	   2014.5	   2015	  Mean	  Difference	  Water	  Content	  Year	  (growing	  season)	  Fig	  5.	  Mean	  Difference	  between	  weGest	  &	  driest	  soil	  profile	  water	  content	  Years	  (2011-­‐2015)	  WeKest	  vs	  Driest	  year	  ARTR	  LiKer-­‐Nitrogen	  1.500	  1.600	  1.700	  1.800	  1.900	  2.000	  2.100	  2011.5	   2012	   2012.5	   2013	   2013.5	   2014	   2014.5	  %	  Nitrogen	  Year	  Fig	  12.	  Sagebrush	  LiGer	  %	  Nitrogen	  •  LiKer	  was	  collected	  annually	  in	  November,	  leaf	  0ssue	  was	  sampled	  in	  July.	  •  Annual	  liKerfall	  includes	  primary	  produc0on	  from	  the	  previous	  growing	  season.	  Big	  sagebrush	  (ARTR)	  of	  the	  Great	  Basin	  relies	  on	  	  precipita0on	  and	  water	  storage	  for	  plant	  biomass	  produc0on.	  The	  major	  objec0ve	  of	  studying	  sagebrush	  water	  balance	  is	  to	  explain	  water	  use,	  nutrient	  availability,	  and	  how	  it	  might	  be	  controlled	  by	  climate	  change.	  	  Objec6ves:	  •  Quan0fy	  climate—soil	  –plant	  community	  interac0ons.	  •  Assess	  status	  and	  trend	  of	  soil	  water	  content.	  •  Assess	  ARTR	  	  mesocosm	  water	  balance.	  •  Assess	  changes	  in	  plant	  0ssue	  composi0on.	  •  As	  shown	  in	  Figs	  1	  &	  3,	  precipita0on	  accounts	  for	  about	  20-­‐50%	  of	  the	  water	  needed	  for	  ARTR	  growth	  seasonally	  or	  annually,	  respec0vely.	  	  •  Figs	  2	  &	  4	  compare	  wet	  and	  dry	  years	  2011	  through	  2015	  seasonally	  or	  annually,	  respec0vely.	  2011	  was	  a	  wet	  year	  whereas	  2013	  was	  a	  dry	  year.	  	  •  Since	  2011	  was	  a	  wet	  year,	  less	  soil	  water	  storage	  was	  needed	  by	  sagebrush	  (15%	  usage,	  Fig	  5).	  Since	  2013	  was	  a	  dry	  year,	  more	  soil	  water	  storage	  was	  needed	  by	  big	  sagebrush	  (35%	  usage,	  Fig	  5).	  	  •  Changes	  in	  soil	  water	  storage	  are	  related	  to	  the	  AI	  (Fig	  6).	  •  Figs	  7-­‐10	  show	  soil	  profile	  water	  content	  for	  the	  weKest	  and	  driest	  years	  as	  examples.	  •  Leaf	  N	  was	  highest	  in	  the	  dry	  year	  of	  2013	  because	  (Fig	  11):	  •  Less	  leaching	  of	  NO3.	  •  Greater	  solute	  concentra0on	  including	  NO3	  in	  a	  smaller	  volume	  of	  water.	  •  Greater	  root	  intercep0on	  of	  solutes	  and	  water.	  •  Higher	  N	  concentra0on	  in	  2014	  liKer	  is	  from	  higher	  N	  in	  2013	  leaf	  0ssue.	  (Fig	  12)	  0.10	  0.20	  0.30	  0.40	  0.50	  0.60	  2011	   2011.5	   2012	   2012.5	   2013	   2013.5	   2014	   2014.5	   2015	  AI	  Year	  (Annual)	  Fig	  4.	  Aridity	  Index	  (P/ET)	  AI	  0.10	  0.20	  0.30	  0.40	  0.50	  0.60	  2011	   2011.5	   2012	   2012.5	   2013	   2013.5	   2014	   2014.5	   2015	  AI	  Year	  (March-­‐October)	  Fig	  2.	  Aridity	  Index	  (P/ET)	  AI	  Conclusion	  To	  predict	  sagebrush	  response	  to	  climate	  change	  such	  as	  a	  drier	  climate,	  it	  is	  necessary	  to	  measure	  sagebrush	  water	  use	  and	  nutrient	  content	  in	  both	  wet	  and	  dry	  years.	  AI	  can	  be	  used	  to	  predict	  change	  in	  soil	  water	  storage	  (Fig	  6).	  	  •  ET	  is	  the	  plant	  demand,	  P	  is	  the	  supply.	  •  Aridity	  index	  (AI)	  =	  P/ET	  •  Mean	  difference	  is	  between	  the	  weKest	  and	  driest	  soil	  profile	  within	  a	  growing	  season.	  Sagebrush	  Water	  Supply	  and	  Demand	  Acknowledgments	  Special	  thanks	  and	  apprecia0on	  to	  Kay	  Laird	  for	  compiling	  sagebrush	  nitrogen	  data.	  2011	  2012	  2013	  2014	  2015	  y	  =	  -­‐18.24ln(x)	  +	  4.6655	  10.0	  15.0	  20.0	  25.0	  30.0	  35.0	  40.0	  0.10	   0.15	   0.20	   0.25	   0.30	   0.35	   0.40	   0.45	   0.50	   0.55	  Change	  in	  soil	  water	  storage	  (mean	  difference)	  AI	  Fig	  6.	  ARTR	  Water	  Usage	  &	  Water	  Balance	  Year	   Log.	  (Year)	  1.50	  1.60	  1.70	  1.80	  1.90	  2.00	  2.10	  2.20	  2010.5	   2011	   2011.5	   2012	   2012.5	   2013	   2013.5	   2014	   2014.5	   2015	   2015.5	  %	  Nitrogen	  Year	  Fig	  11.	  Sagebrush	  Leaf	  Tissue	  %	  Nitrogen	  10.0	  15.0	  20.0	  25.0	  30.0	  35.0	  40.0	  45.0	  50.0	  55.0	  3/17	   5/6	   6/25	   8/14	   10/3	   11/22	   1/11	  Water	  Content,	  %	  Date	  Fig	  8.	  2013	  ARTR	  Soil	  Water	  Content	  Water	  Content,	  %	  25.0	  30.0	  35.0	  40.0	  45.0	  50.0	  7/16	   8/5	   8/25	   9/14	   10/4	   10/24	   11/13	   12/3	  Water	  Content,	  %	  Date	  Fig	  7.	  2011	  ARTR	  Soil	  Water	  Content	  Water	  Content,	  %	  

Artemisia tridentata Mesocosm: Annual Water Usage and Water Balance

https://digitalcommons.usu.edu/cgi/viewcontent.cgi?article=1132&context=biology_posters

Artemisia tridentata Mesocosm: Annual Water Usage and Water Balance

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

DigitalCommons@USU