Ecosystem respiration in a Mediterranean Turkey oak forest: eddy covariance and chamber-based models comparison

Abstract

Eddy covariance and up-scaled chamber measurements were used to estimate ecosystem respiration (Reco) in a Quercus cerris L. coppice forest in Central Italy. The annual variation of Reco and its components, was analyzed in relation to seasonal changes in soil temperature and soil moisture. Chamber measurements on soil, stems and leaves were carried out between June 2010 and December 2012. Each plot was chosen to be always within the footprint of the eddy covariance tower installed in the forest compartment. The ecosystem respiration and its main components shown a strong seasonal variability. Summer aridity played a crucial role on the observed reduction of respiration that was evident both in soil and stem CO2 efflux rates. Soil respiration (Rs) and stem respiration (Rstem) increased from winter to spring, decreased in summer and suddenly increased in autumn after rainfall events. A different trend was showed by leaf dark respiration (Rl) that increased from spring to summer and decreased in autumn. Based on up-scaled chamber measurements, ecosystem respiration (Recocuv) showed a significant temporal variation over the year. Rs and Rstem followed the same trend of ecosystem respiration estimated by eddy covariance (Recoeddy) with a reduction during summer months consequently to summer drought. On the contrary, Rl peaked in August and decreased in autumn and was responsible for the decoupling of the two Reco estimates. The total annual Recoeddy chosen as reference was 9.11 t C ha-1 y-1, while the total annual contribution of Rs, Rstem and Rl was 6.79, 1.77 and 4.74 t C ha-1 y-1, respectively. Thus, the relative contribution of each component was 51% for the soil, 13% for the stem and 36% for leaves, confirming that whole ecosystem respiration is dominated by soil respiration. Recocuv was 32% larger than ecosystem respiration estimated by eddy covariance. Through model validation techniques was possible to quantify the uncertainty. The results showed that method of estimation used, sample size, and biotic and abiotic factors influencing the respiration rates, can lead to both underestimation and overestimation higher than 50%.

La tecnica eddy covariance e le misure con cuvetta scalate a livello ecosistemico, sono state usate per stimare la respirazione ecosistemica (Reco) in un bosco ceduo di Quercus cerris L. in Italia centrale. La variazione annuale della Reco e delle sue componenti è stata analizzata in relazione alle variazioni stagionali di temperatura e umidità del suolo. Le misure di efflusso di CO2 con cuvetta dal suolo, dai fusti e dalle foglie sono state effettuate tra giugno 2010 e dicembre 2012. L’area sperimentale è stata scelta per essere sempre dentro la footprint della torre eddy covariance installata nella particella forestale oggetto di studio. La respirazione dell'ecosistema e le sue componenti principali hanno mostrato una forte variabilità stagionale. L’aridità estiva ha svolto un ruolo cruciale nella riduzione di respirazione ed è stata evidente sia nei tassi di efflusso di CO2 dal suolo che dai fusti. I tassi di respirazione del suolo (Rs) e dei fusti (Rstem) sono aumentati dall'inverno alla primavera, sono diminuiti in estate e sono improvvisamente aumentati in autunno dopo alcuni eventi piovosi. Un andamento diverso è stato mostrato dalla respirazione fogliare (Rl), che è aumentata dalla primavera all'estate ed è diminuita in autunno. Sulla base delle misure da cuvetta scalate, la respirazione ecosistemica (Recocuv) ha mostrato una significativa variazione temporale nel corso dell'anno. Rs e Rstem hanno seguito lo stesso andamento della respirazione ecosistemica stimata con la tecnica eddy covariance (Recoeddy) con una riduzione durante i mesi estivi, a causa della siccità. Al contrario, Rl ha raggiunto un picco nel mese di agosto ed è poi diminuita in autunno essendo così responsabile del disaccordo delle due stime di Reco. La Recoeddy annuale, scelta come riferimento, è stata stimata pari a 9.11 t C ha-1 anno-1, mentre, il contributo totale annuo di Rs , Rstem e Rl è stato di 6.79, 1.77 e 4.74 t C ha- 1 anno-1, rispettivamente. Pertanto il contributo relativo di ciascuna componente è stato del 51% per il suolo, del 13% per i fusti e del 36% per le foglie, confermando che la respirazione ecosistema è dominata dalla respirazione del suolo. Recocuv è stata maggiore della Recoeddy del 32%. Attraverso tecniche di validazione è stato possibile quantificare l'incertezza delle stime. I risultati hanno dimostrato che il metodo di stima utilizzato, la dimensione del campione, e i fattori biotici e abiotici che influenzano i tassi di respirazione, possono portare sia ad una sottostima che ad una sovrastima superiore al 50%. Il contributo maggiore all’errore di stima è stato dato dall’efflusso di CO2 a causa delle cattive prestazioni del modello durante il periodo di crescita. Pertanto, le fonti di incertezza individuate suggeriscono che il confronto tra la stima di Recocuv e Recoeddy, è fattibile solo se sono ridotti al minimo gli errori quindi, utilizzando un campione di dimensioni adeguate, modelli di previsione adatti ad ambienti mediterranei e metodi standardizzati di misura.