Seasonal Precipitation Legacy Effects Determine the Carbon Balance of a Semiarid Grassland

Abstract

"Semiarid grasslands are water‐limited ecosystems where precipitation (PPT) controls the onset and duration of the growing season; however, this variable does not fully explain interannual variability of productivity at temporal scales. We examined the relationship between PPT and carbon (C) fluxes in a semiarid grassland at both seasonal and interannual scales, as well as the role of lagged effects of PPT and asymmetric sensitivities of net ecosystem carbon exchange to PPT and its components (gross ecosystem exchange [GEE] and ecosystem respiration [ER]). Six years of continuous net ecosystem C exchange data measured with the eddy covariance technique and GEE estimated with 15 years of enhanced vegetation index and the gross primary productivity of Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer were used. The semiarid grassland was a C source and a C sink among contrasting PPT years (114 to −107 g C·m−2·year−1). At seasonal scale, PPT relationship with the 15 years of GEE derived from enhanced vegetation index and gross primary productivity was sigmoidal. Moreover, PPT legacies of the previous dry season determined the C balance of the grassland by affecting the C uptake and ecosystem respiration of the following growing season, but productivity was more sensitive to PPT changes than respiration. Models of climate change for semiarid grasslands in North America predict up to 30% reduction of winter‐spring PPT and slight summer PPT decrease. Thus, our results suggest that future changes in PPT may have a strong impact on the C uptake capacity of this ecosystem due to weakened legacy effects in summer C uptake."

"Los pastizales semiáridos son ecosistemas deficientes en agua, en donde la precipitación (PPT) controla tanto el inicio como la duración de la estación de crecimiento; a pesar de eso, la precipitación no puede explicar en su totalidad la variabilidad interanual de su productividad. En este estudio, examinamos la relación entre PPT y los flujos de carbono (C) de un pastizal semiárido a escalas estacionales e interanuales, así como el papel de efectos de legado de la precipitación y la sensibilidad asimétrica del intercambio de carbono neto del ecosistema (NEE) y sus componentes (intercambio neto del ecosistema (GEE) y respiracién del ecosistema (ER)). Se emplearon seis años de datos continuos de NEE obtenidos por medio de la técnica de flujos turbulentos covariados y GEE estimados con 15 años de índice mejorado de la vegetación así como la productividad primaria bruta derivada de las imágenes del espectro radiómetro de resolución moderada. El pastizal semiárido funcionó como un almacén o una fuente de C entre años contrastantes de precipitación (114 to –107 g C•m–2•year–1). A escalas estacionales, la relación de PPT con el GEE derivado de 15 años de índice mejorado de la vegetación, así como con la producción primaria bruta fueron de tipo sigmoidal. Además, los legados de la PPT de la temporada de estiaje definió el balance de C del pastizal en la temporada de crecimiento siguiente a través de sus efectos en la asimilación de C y respiración del ecosistema, resultando la productividad más sensible a los cambios de precipitación que la respiración. Los modelos de cambio climático para el pastizal semiárido en Norte América predicen un decremento hasta del 30% de la precipitación durante el estiaje (invierno/primavera) mientras el declive de PPT en el verano será mucho menor. De esta manera, nuestros resultados sugieren que cambios futuros de la PPT tendrán un fuerte impacto en la capacidad de asimilación de C en el pastizal semiárido, debido a un efecto de legado debilitado para la asimilación de C en el verano."