Growing season CO2 fluxes in a sagebrush-steppe ecosystem in Idaho: bowen ratio/energy balance measurements and modeling

Abstract The sagebrush-steppe ecosystem covers more than 36 million ha and could play an important role in the global carbon cycle; however, quantitative estimates of CO 2 fluxes on these extensive ecosystems are not available. The Bowen ratio/energy balance technique (BREB) was used to continuously monitor CO 2 fluxes during the 1996 to 1999 growing seasons at a sagebrush-steppe site near Dubois, Idaho, USA. The daytime and night-time CO 2 fluxes were modeled to provide estimates of occasionally missing or aberrant data points so that daily (24-h) integrals across the entire growing season could be quantified. Depending on the particular time of the season, daytime fluxes were best described by a rectangular hyberbolic, nonrectangular hyperbolic, or hysteresis-type functions that included radiation, relative humidity, and soil temperature. Night-time CO 2 fluxes exhibited greater variability than daytime fluxes and were not closely correlated with any single meteorological characteristic. Night-time fluxes were predicted using a nonlinear parameter identification technique that estimated values of daytime respiration, which were significantly correlated with night-time fluxes. For the four growing seasons of our study, the integrated seasonal fluxes ranged from 284 to 1,103 g CO 2 m −2 with an overall average of 635 g CO 2 m −2 . Respiratory losses during the non-growing season were estimated to be about 1.5 g CO 2 m −2 day −1 or a total of 270 g CO 2 m −2 . This gives an annual net positive flux (carbon sequestration) estimate of 365 g CO 2 m −2 (or 1.0 t C ha −1 ). These results suggest that the combination of BREB measurements and modeling techniques can be used to provide estimates of CO 2 fluxes on important rangeland ecosystems. Das Wustenbeifus-Steppenokosystem erstreckt sich uber mehr als 36 Millionen Hektar und konnte eine wichtige Rolle im globalen Kohlenstoffkreislauf spielen. Quantitative Schatzungen der CO 2 -Flusse dieser ausgedehnten Okosysteme sind jedoch nicht verfugbar. Die “Bowen-Verhaltnis”-Energiebilanz-Technik (BREB) wurde benutzt, um die CO 2 -Flusse wahrend der Wachstumssaisonen 1996 bis 1999 in einer Wustenbeifus-Steppe bei Dubois, Idaho, USA, kontinuierlich zu erfassen. Die Tages- und Nacht-CO 2 -Flusse wurden modelliert um Schatzwerte fur gelegentlich fehlende oder abweichende Datenpunkte zu bekommen, so dass Tagesintegrale (24h) uber die gesamte Wachstumssaison quantifiziert werden konnten. Abhangig vom jeweiligen Zeitpunkt der Saison wurden die Tagesflusse am Besten durch rechtwinklig hyperbolische, nicht-rechtwinklig hyperbolische oder hystereseahnliche Funktionen beschrieben, die Strahlung, relative Luftfeuchtigkeit und Bodentemperatur enthielten. Die Nacht-CO 2 -Flusse zeigten eine grosere Variabilitat als Tagesflusse und waren mit keiner einzelnen meteorologischen Kenngrose eng korreliert. Die Nachtflusse wurden vorhergesagt, indem eine nichtlineare Parameter-Identifizierungstechnik verwendet wurde, mit der die Werte der Tagesrespiration geschatzt wurden, die wiederum mit den Nachtflussen signifikant korreliert waren. Fur die vier Wachstumssaisonen unserer Studie bewegten sich die integrierten saisonalen Flusse zwischen 284 und 1103 g CO 2 m −2 mit einem Gesamtmittelwert von 635 g CO 2 m −2 . Die Respirationsverluste auserhalb der Wachstumssaison wurden auf ungefahr 1.5 g CO 2 m −2 Tag −1 bzw. insgesamt auf 270 g CO 2 m −2 geschatzt. Dies ergibt einen geschatzten positiven jahrlichen Nettofluss (Kohlenstofffixierung) von 365 g CO 2 m −2 (oder 1 t C ha −1 ). Diese Ergebnisse lassen erkennen, dass eine Kombination von BREB-Messungen und Modellierungstechniken verwendet werden kann, um Schatzungen des CO 2 -Flusses in wichtigen Weideland-Okosystemen zur Verfugung zu stellen.