Partitioning evapotranspiration and carbon flux in a tallgrass prairie: effects of rainfall variability and grazing

Abstract

Partitioning evapotranspiration (ET) and carbon flux is key to understanding ecosystem responses to rainfall variability and management practices. In this study, we evaluated the effects of rainfall variability and grazing on carbon and water vapor fluxes in tallgrass prairies. In addition, a footprint model was used to assess the spatial representativeness of eddy covariance (EC) measurement and the influence of surface heterogeneity on energy balance closure (EBC). The research was conducted in two tallgrass prairie sites located in Kansas, U.S. The effects of rainfall variability on fluxes were evaluated during the 2017, 2018 and 2019 growing seasons. The impacts of grazing on fluxes were assessed during the 2003, 2004 and 2005 growing seasons. Carbon and water vapor fluxes were measured using the EC technique. Net ecosystem CO 2 exchange (NEE) partitioning into gross primary productivity (GPP) and ecosystem respiration (R eco ) was performed using the relationship between the air temperature and nighttime NEE data. ET partitioning into transpiration (T) and evaporation (E) was obtained using the concept of underlying water use efficiency (uWUE). To evaluate the uWUE approach, we compared daily E estimates obtained from the uWUE with E observations provided by microlysimeters (ML) during the 2018 growing season. EBC was poor during nighttime and stable atmospheric conditions, but was not affected by surface heterogeneity. The correlations between vertical wind velocity and scalars indicated that low-frequency processes affected EBC. The contribution of T to ET (T/ET) was lowest during the dry growing season (0.50) and higher during wet growing seasons (0.63 and 0.65). The relationship between uWUE approach and ML E measurements showed a Pearson correlation coefficient (r) of 0.42 and a root mean square error (RMSE) of 0.58 mm d -1 . Air temperature was the main environmental driver of T/ET during the wet growing seasons, while the subsurface soil moisture (0.45 m) was the main driver of T/ET during the dry growing season. Grazing did not affect GPP, but increased R eco (9.4%) and reduced NEE (11.9%). T/ET was reduced by grazing (7.0%), while ET increased by 3.3% due to the increase in E (26.6%). Our findings demonstrate that the precipitation variability not only has a direct impact on the ET components but also modulates the response of those components to other environmental drivers. In turn, grazing regime adopted in this tallgrass prairie impacts the carbon cycle more strongly than the water cycle. Keywords: Eddy covariance. Grasslands. Transpiration. Evaporation. Underlying water use efficiency.A partição da evapotranspiração e fluxo de carbono é fundamental para entender as respostas dos ecossistemas à variabilidade da precipitação e práticas de manejo. Neste estudo, foram avaliados os efeitos da variabilidade da chuva e do pastejo sobre os componentes do fluxo de carbono e água em pradarias. Além disso, um modelo de footprint foi utilizado para avaliar a representatividade espacial das medidas de covariância de vórtices turbulentos (EC) e o efeito da heterogeneidade da superfície sobre o fechamento do balanço de energia (EBC). A pesquisa foi conduzida em duas pradarias de grama alta localizadas no Kansas, EUA. Os efeitos da variabilidade da precipitação sobre os fluxos foram avaliados durantes as estações de crescimento de 2017, 2018 e 2019. Os impactos do pastejo sobre os fluxos foram avaliados durante as estações de crescimento de 2003, 2004 e 2005. Fluxos de carbono e água foram medidos utilizada a técnica EC. O particionamento da troca líquida de CO 2 do ecossistema (NEE) entre produtividade primária bruta (GPP) e respiração do ecossistema (R eco ) foi realizada usando a relação entre os dados noturnos de temperatura do ar e NEE. A partição da ET entre evaporação (E) e transpiração (T) foi obtida usando o conceito de eficiência no uso da água subjacente (uWUE). Para avaliar a abordagem uWUE, foram comparadas as estimativas diárias de E obtidas através de uWUE com observações de E fornecidas por microlisímetros (ML). EBC foi menor durante à noite e condições atmosféricas estáveis, mas não foi afetado pela heterogeneidade da superfície. As correlações entre a velocidade vertical do vento e os escalares indicou que processos de baixa frequência afetaram o EBC. A contribuição de T para ET (T/ET) foi menor durante a estação de crescimento seca (0.50) e maior durante estações de crescimento úmidas (0.63 e 0.65). A relação entre a abordagem uWUE e E obtida por ML mostrou um coeficiente de correlação de Pearson (r) de 0.42 e raiz do erro quadrático médio (RMSE) de 0.58 mm d -1 . A temperatura do ar foi a principal variável ambiental governando a dinâmica de T/ET durante as estações de crescimento úmidas, enquanto a umidade do solo na subsuperfície (0.45 m) foi a principal variável ambiental governando T/ET durante a estação de crescimento seca. O pastejo não afetou o GPP, mas aumentou Reco (9.4%) e reduziu NEE (11.9%). T/ET foi reduzida pelo pastejo (7.0%), enquanto a ET aumentou em 3.3% devido ao acréscimo de E (26.6%). Os resultados deste estudo demonstram que a variabilidade da precipitação não apenas tem um impacto direto nos componentes de ET, mas também modula as respostas destes componentes aos outros impulsionadores ambientais. Por sua vez, o regime de pastejo adotado nesta pradaria impacta mais fortemente o ciclo do carbono do que o ciclo da água. Palavras-chave: Covariância de vórtices turbulentos. Pastagens naturais. Transpiração. Evaporação. Eficiência no uso da água subjacente.