Ann. For. Sci. 60 (2003) 519-526
DOI: 10.1051/forest:2003045

The key-role of topsoil moisture on CO₂ efflux from a Mediterranean Quercus ilex forest

Richard Joffre^a, Jean-Marc Ourcival^a, Serge Rambal^a and Alain Rocheteau<sup>a, b

a</sup>  Équipe DREAM, CEFE-CNRS, 1919 Route de Mende, 34293 Montpellier Cedex 5, France
^b  UR CLIFA, IRD-CNRS, 1919 Route de Mende, 34293 Montpellier Cedex 5, France

(Received 7 October 2002; accepted 1 June 2003)

Abstract - CO₂ respiratory losses partly determine net carbon ecosystem exchanges. The main objective of this paper was to understand regulation imposed by soil water content and temperature on soil and ecosystem CO₂ efflux in a holm oak (Quercus ilex L.) Mediterranean forest. Soil CO₂ efflux was monitored monthly during 1999 and 2001. Moreover, experimental water treatments were conducted in 1999 over 9 small plots (0.3 m²) during nine months. Results showed strong decreases of soil CO₂ efflux for a relative soil water content below 0.7. Ecosystem respiration measured by eddy covariance over a 4-year period showed strong sensitivity to soil water content and temperature. Severe limitations of soil and ecosystem efflux imposed by low values of soil water content occurred on about 90 days per year. The best adjustments of soil and ecosystem CO₂ efflux were obtained using regression models where the exponential effect of temperature is linearly related to soil water content ( r² = 0.68 and 0.79 for soil and ecosystem respectively). Our results highlighted strong differences in respiration sensitivity to topsoil moisture between soil and ecosystem. When the relative water content (RWC) is low (0.4), an increase of 1 °C provokes an increase of soil respiration of 5.7% and an increase of ecosystem respiration of 8.6%. For nonlimiting soil water conditions, at RWC = 1, the increases of respiration caused by a 1 °C temperature increase are of 8.5% and 16.5% for soil and ecosystem respectively. These results emphasized the probable determinant influences of changes in soil water regime for respiratory fluxes and net carbon exchanges of Mediterranean forest ecosystems.

Résumé - Le rôle-clé de l'humidité du sol superficiel sur les efflux de CO₂ d'une forêt méditerranéenne de chêne vert. Les pertes de CO₂ par respiration vont déterminer largement les échanges nets de carbone des écosystèmes. L'objectif principal de cet article est de comprendre les régulations imposées par la teneur en eau et la température du sol sur les efflux de CO₂ du sol et de l'écosystème dans une forêt méditerranéenne de chêne vert (Quercus ilex L.). La respiration du sol a été mesurée mensuellement en 1999 et 2001. Par ailleurs, une expérimentation, mise en place en 1999, comprenant trois régimes hydriques a été suivie pendant 9 mois sur 9 parcelles de 0.3 m². Les résultats mettent en évidence la très forte limitation des efflux lorsque la teneur en eau du sol est inférieure à 70 % de sa capacité de rétention. La respiration de l'écosystème mesurée sur une période de 4 ans par la méthode des fluctuations turbulentes montre la même sensibilité aux deux facteurs. Les conditions de fortes limitations par une faible teneur en eau du sol affectent l'écosystème environ 90 jours par an. Les meilleurs ajustements pour la simulation des flux de CO₂ du sol et de l'écosystème sont obtenus pour un modèle dans lequel l'effet exponentiel de la température est fonction linéaire de la teneur en eau du sol (r² de 0.68 et 0.79 pour le sol et l'écosystème). La sensibilité de la respiration à la teneur en eau du sol est plus grande pour le sol que l'écosystème. En conditions hydriques sèches, pour une capacité relative en eau (RWC) égale à 0.4, une augmentation de température de 1 °C entraîne une augmentation de la respiration du sol et de celle de l'écosystème de 5.7 % et de 8.6 % respectivement. En conditions non limitantes (RWC = 1), le même accroissement de température provoque une augmentation de respiration de 8.5 % et 16.5 % pour le sol et l'écosysteme respectivement. Toute modification des conditions hydriques aura donc des répercussions sur les flux respiratoires et sur les échanges nets de carbone des écosystèmes forestiers méditerranéens.

Key words: CO₂ efflux / soil water content / soil temperature / ecosystem respiration / Mediterranean ecosystem / Quercus ilex

Mots clés : flux de CO₂ / humidité du sol / température du sol / respiration de l'écosystème / ecosystème méditerranéen / Quercus ilex

Corresponding author: Richard Joffre joffre@cefe.cnrs-mop.fr

© INRA, EDP Sciences 2003