Mathias Herbst

Do plants of a semi-natural grassland community benefit from long-term CO2 enrichment?

Abstract Increasing atmospheric CO2 concentration ([CO2]) may alter plant community structure. The long-term responses of a semi-natural grassland community to elevated [CO2] and different cutting regimes were investigated. During four years the grassland was exposed in situ to a mean [CO2] of 660 ppm using Free-Air CO2 Enrichment (FACE) and harvested once or twice per season. Under elevated [CO2], annual community biomass production was stimulated significantly only in the fourth year of investigation. Functional plant groups responded differentially to CO2 enrichment causing a clear shift in botanical composition from 1999 to 2002 towards a higher proportion of legumes under elevated [CO2] and two harvests per year, respectively. Photosynthetic capacity was not affected by higher [CO2] in the legume Lotus corniculatus but downregulated in the monocot Bromus erectus. Under elevated [CO2] the nitrogen content was lower in all functional plant groups, though C/N ratio was enhanced significantly only in grasses and non-leguminous dicots. In this nutrient-poor grassland community, legumes exhibit a higher competitiveness under elevated [CO2] due to their ability of symbiotic N2-fixation. Steigende atmospharische CO2 Konzentrationen ([CO2]) konnen das Artengefuge von Pflanzengemeinschaften verandern. In der vorliegenden Studie wurden die langfristigen Reaktionen eines naturnahen Kalkmagerrasens auf eine [CO2] Erhohung und verschiedene Schnittfrequenzen untersucht. Mittels eines FACE (F ree A ir CO2E nrichment) Systems wurde das untersuchte Graslandokosystem 4 Jahre lang in-situ einer mittleren [CO2] von 660 ppm ausgesetzt und ein- bzw. zweimal pro Jahr gemaht. Eine signifikante Steigerung der jahrlichen Biomasseproduktion durch erhohtes CO2 wurde erst im vierten Untersuchungsjahr beobachtet. Die funktionellen Pflanzengruppen reagierten unterschiedlich auf die [CO2] Erhohung, wodurch sich von 1999 bis 2002 sowohl unter erhohtem CO2 als auch bei 2 Ernten pro Jahr die Zusammensetzung der Pflanzengemeinschaft zu einem hoheren Anteil von Leguminosen verschob. Die Photosynthesekapazitat der Leguminose Lotus corniculatus wurde durch erhohtes CO2 nicht beeinflusst, wahrend sie bei der Monokotyle Bromus erectus herabgesetzt wurde. Die [CO2] Erhohung fuhrte in allen funktionellen Pflanzengruppen zu einem geringeren Stickstoffgehalt, jedoch war das C/N Verhaltnis nur bei Grasern und nicht-leguminosen Dikotylen signifikant erhoht. Die Fahigkeit zur symbiontischen Stickstofffixierung starkt die Konkurrenzkraft der Leguminosen in der untersuchten nahrstoffarmen Pflanzengemeinschaft.

Estimating daytime ecosystem respiration from eddy-flux data

To understand what governs the patterns of net ecosystem exchange of CO₂, an understanding of factors influencing the component fluxes, ecosystem respiration and gross primary production is needed. In the present paper, we introduce an alternative method for estimating daytime ecosystem respiration based on whole ecosystem fluxes from a linear regression of photosynthetic photon flux density data vs. daytime net ecosystem exchange data at forest ecosystem level. This method is based on the principles of the Kok-method applied at leaf level for estimating daytime respiration. We demonstrate the method with field data and provide a discussion of the limitations of the method.

Canopy physiology: interpreting the variations in eddy fluxes of water vapour and carbon dioxide observed over a beech forest

Summary Fluxes of carbon dioxide, water vapour, heat and momentum over a northern German beech forest were measured by use of the eddy covariance technique. The canopy conductance to water vapour transfer, g c , was calculated for daylight periods with sufficient fetch, sufficient energy balance closure, and dry canopy surface. In search for functional responses of the beech canopy to the environment, we related g c linearly to net ecosystem CO 2 exchange ( F c ) scaled by relative air humidity, and F c non-linearly to photon flux density, air temperature and g c . Consequently, conductance and CO 2 exchange of the canopy were assumed to be coupled as in the widely used leaf scale approach by Farquhar & von Caemmerer (1982) and Ball et al. (1987). Applying the respective canopy scale formulations left only 30% of the variance in g c and 37% of the variance in F c unexplained. Testing the equations against eddy flux data collected in a Danish beech forest resulted in an agreement within a few percent. A perspective is given how to simplify canopy water and carbon flux models by use of the framework presented in this study. Uber einem Buchenwald in Norddeutschland wurden die Bestandesflusse von Kohlendioxid, Wasserdampf und fuhlbarer Warme sowie der Impulsfluss mit Hilfe der Eddy-Kovarianz-Technik gemessen. Die Bestandesleitfahigkeit fur Wasserdampf, g c , wurde fur Tageslichtperioden mit hinreichend geschlossener Energiebilanz, ausreichender Ausdehnung des Bestandes in Richtung des Windes und trockener Kronendachoberflache berechnet. Auf der Suche nach Reaktionen des Buchenwaldes auf die einwirkenden meteorologischen Bedingungen wurde g c linear zu dem Produkt aus Bestandes-CO 2 -Fluss ( F c ) und relativer Luftfeuchte in Beziehung gesetzt und F c nicht-linear zu einer Funktion aus Photonenflussdichte, Lufttemperatur und g c . Damit wurden Leitfahigkeit und CO 2 -Austausch des Bestandes als eng miteinander gekoppelt betrachtet, analog zu dem verbreiteten, fur die Blattebene geltenden Ansatz von Farquhar & von Caemmerer (1982) und Ball et al. (1987). Die Anwendung der entsprechenden mathematischen Formulierungen auf den erhobenen Datensatz erklart 70% der Varianz von g c und 63% der Varianz von F c . Die Gleichungen wurden ebenfalls zur Berechnung des Kohlenstoffflusses uber einem danischen Buchenwald eingesetzt und fuhrten zu einer Ubereinstimmung bis auf wenige Prozent mit dem dort gemessenen Eddy-Fluss. Es wird eine Perspektive aufgezeigt, wie Bestandesmodelle fur den Wasser- und Kohlendioxidaustausch auf der Grundlage der hier entwickelten Beschreibung kunftig vereinfacht werden konnten.

Seasonality of Hydrological and Biogeochemical Fluxes

This chapter summarizes current knowledge on the seasonality of forest hydrological and biogeochemical fluxes and suggests future research directions within this field. Seasonal changes in water availability strongly influence forest growth and phenology. Inversely, temporal patterns in canopy structure, meteorological conditions and atmospheric air concentrations influence the interaction between soil, vegetation and atmosphere. Environmental factors such as precipitation, radiation and air humidity often change simultaneously over time, and affect hydrological processes. Phenological rhythms may go parallel to these seasonal changes, but the response of trees can vary considerably between species. We discuss seasonality in (1) the partitioning of gross precipitation into canopy interception, throughfall and stemflow, (2) transpiration of trees and understorey vegetation according to forest biome and (3) soil water partitioning and percolation. Temporal dynamics of biogeochemical processes are more complex than of hydrological processes, and do not necessarily follow the same patterns. We focus on the seasonality of (1) wet and dry atmospheric deposition, (2) canopy exchange of gases and dissolved elements and (3) soil gas exchange and nutrient fluxes. Studies on the hydrology and biogeochemistry of forest ecosystems are often reported at annual time scales. This chapter highlights that seasonality matters in all forests, including tropical ecosystems.