Diurnal and Seasonal Patterns in Ecosystem CO2 Fluxes and Their Controls in a Temperate Grassland

Abstract

There is considerable interest in understanding processes of carbon dioxide (CO 2 ) uptake and release in grasslands and the factors that control them. Many studies have investigated how CO 2 fluxes vary over time (monthly, seasonally, annually). However, with the exception of net ecosystem CO 2 exchange (NEE) and ecosystem respiration (R eco ), little information is available on diurnal flux patterns, despite their importance in determining total ecosystem CO 2 gains and losses. To better understand these variations, we measured CO 2 fluxes (NEE, R eco , soil respiration [R soil ], canopy respiration [R canopy ], plant assimilation [assimilation]) with a climate-controlled closed-chamber system over 24 h once a month from May to September during the 2005 growing season in a mesic grassland in Yellowstone National Park. We also assessed how environmental factors (photosynthetic active radiation [PAR], air temperature, soil temperature, soil moisture) were associated with these diurnal and seasonal flux patterns to identify the main drivers of the fluctuations in CO 2 . Measurements were conducted simultaneously on two plots: one irrigated, the other unirrigated. Absolute values of all fluxes were greatest in midsummer (June–July), and lowest in spring and fall (May, September) at both plots. Variation in soil moisture as a result of irrigation did not lead to pronounced differences in seasonal CO 2 fluxes and did not influence the diurnal patterns of CO 2 uptake and release. Instead, the diurnal and seasonal variations of our ecosystem fluxes were related to PAR and temperature (air/soil) and soil moisture and temperature (air/soil), respectively, at both plots. Thus, continued anthropogenic increases in greenhouse gas emissions that are expected to change the intensity of radiation, temperature, and precipitation may strongly affect the diurnal and seasonal patterns in CO 2 uptake and release. Such chamber-based information combined with the measurement of environmental variables could be important for modeling CO 2 budgets when no continuous measurements are available or affordable. Existe un gran interés de entender los procesos de absorción del dióxido de carbono (CO 2 ) así como la liberación del mismo en los pastizales y los factores que lo controlan. Muchos estudios han investigado que el flujo de CO 2 varía con el tiempo (mensual/estacional/anual). Sin embargo, con excepción de intercambio de CO 2 del ecosistema neto (NEE) y la respiración de ecosistema (Reco), hay poca información disponible sobre patrones de flujo diurna, a pesar de su importancia en la determinación del CO 2 total del ecosistema y sus ganancias y pérdidas. Para obtener una mejor comprensión de estas variaciones, hemos medido flujos de CO 2 , (NEE, R eco , respiración del suelo [R soil ], respiración de la cubierta [R canopy ], aprovechamiento por las plantas [asimilación]) con un sistema de cámara de clima controlado por un periodo de más de 24 horas, una vez por mes, de mayo a septiembre durante la temporada de crecimiento de 2005 en los pastizales del Parque nacional de Yellowstone. También medimos cómo los factores ambientales [radiación fotosintéticamente activa (PAR), temperatura del aire, la temperatura del suelo, y la humedad del suelo] se asociaron con estos patrones de flujo diurno y estacional para identificar los principales factores de las fluctuaciones de CO 2 . Las mediciones se llevaron a cabo simultáneamente en dos parcelas, unas regadas, y otras sin riego. Los valores absolutos de los flujos fueron mayores a la mitad del verano (junio/julio) y los más bajos durante primavera y otoño (mayo/septiembre) en ambas parcelas. La variación en la humedad del suelo como resultado de riego no condujo a las evidentes diferencias en flujos estacionales de CO 2 y no influyó en los patrones diurnos de absorción de CO 2 y liberación. En su lugar, las variaciones estacionales y diurnas de los flujos de nuestros ecosistemas estuvieron relacionadas con PAR y la temperatura de (aire/suelo) y la humedad del suelo y la temperatura (aire/suelo), respectivamente, en ambas parcelas. Por lo tanto, incrementos continuos de las emisiones de gases de efecto invernadero que se esperan que cambien la intensidad de radiación, la temperatura y precipitación como resultado de la actividades humanas firmemente pueden afectar a los patrones diurnos y estacionales de absorción de CO 2 y a su liberación. Dicha información basada en mediciones de la cámara, junto con la medición del ambiente, podría ser importante para el modelaje de los recursos de CO 2 cuando no se tengan disponibles las mediciones continuas.