Climate change predictions derived from coupled carbon-climate models are highly dependent on assumptions about feedbacks between the biosphere and atmosphere. One critical feedback occurs if C uptake by the biosphere increases in response to the fossil-fuel driven increase in atmospheric [CO 2 ] (“CO 2 fertilization”), thereby slowing the rate of increase in atmospheric [CO 2 ]. Carbon exchanges between the terrestrial biosphere and atmosphere are often first represented in models as net primary productivity (NPP). However, the contribution of CO 2 fertilization to the future global C cycle has been uncertain, especially in forest ecosystems that dominate global NPP, and models that include a feedback between terrestrial biosphere metabolism and atmospheric [CO 2 ] are poorly constrained by experimental evidence. We analyzed the response of NPP to elevated CO 2 (≈550 ppm) in four free-air CO 2 enrichment experiments in forest stands. We show that the response of forest NPP to elevated [CO 2 ] is highly conserved across a broad range of productivity, with a stimulation at the median of 23 ± 2%. At low leaf area indices, a large portion of the response was attributable to increased light absorption, but as leaf area indices increased, the response to elevated [CO 2 ] was wholly caused by increased light-use efficiency. The surprising consistency of response across diverse sites provides a benchmark to evaluate predictions of ecosystem and global models and allows us now to focus on unresolved questions about carbon partitioning and retention, and spatial variation in NPP response caused by availability of other growth limiting resources.

ABSTRACT To determine if damage to foliage by biotic agents, including arthropods, fungi, bacteria and viral pathogens, universally downregulates the expression of genes involved in photosynthesis, we compared transcriptome data from microarray experiments after twenty two different forms of biotic damage on eight different plant species. Transcript levels of photosynthesis light reaction, carbon reduction cycle and pigment synthesis genes decreased regardless of the type of biotic attack. The corresponding upregulation of genes coding for the synthesis of jasmonic acid and those involved in the responses to salicylic acid and ethylene suggest that the downregulation of photosynthesis‐related genes was part of a defence response. Analysis of the sub‐cellular targeting of co‐expressed gene clusters revealed that the transcript levels of 84% of the genes that carry a chloroplast targeting peptide sequence decreased. The majority of these downregulated genes shared common regulatory elements, such as G‐box (CACGTG), T‐box (ACTTTG) and SORLIP (GCCAC) motifs. Strong convergence in the response of transcription suggests that the universal downregulation of photosynthesis‐related gene expression is an adaptive response to biotic attack. We hypothesize that slow turnover of many photosynthetic proteins allows plants to invest resources in immediate defence needs without debilitating near term losses in photosynthetic capacity.

The concentration of atmospheric carbon dioxide was increased by 200 microliters per liter in a forest plantation, where competition between organisms, resource limitations, and environmental stresses may modulate biotic responses. After 2 years the growth rate of the dominant pine trees increased by about 26 percent relative to trees under ambient conditions. Carbon dioxide enrichment also increased litterfall and fine-root increment. These changes increased the total net primary production by 25 percent. Such an increase in forest net primary production globally would fix about 50 percent of the anthropogenic carbon dioxide projected to be released into the atmosphere in the year 2050. The response of this young, rapidly growing forest to carbon dioxide may represent the upper limit for forest carbon sequestration.

The idea that the concentration of secondary metabolites in plant tissues is controlled by the availability of carbon and nitrogen in the environment has been termed the carbon–nutrient balance hypothesis (CNB). This hypothesis has been invoked both for prediction and for post hoc explanation of the results of hundreds of studies. Although it successfully predicts outcomes in some cases, it fails to such an extent that it cannot any longer be considered useful as a predictive tool. As information from studies has accumulated, many attempts have been made to save CNB, but these have been largely unsuccessful and have managed only to limit its utility. The failure of CNB is rooted in assumptions that are now known to be incorrect and it is time to abandon CNB because continued use of the hypothesis is now hindering understanding of plant–consumer interactions. In its place we propose development of theory with a firm evolutionary basis that is mechanistically sophisticated in terms of plant and herbivore physiology and genetics.

Abstract Carbon‐use efficiency (CUE), the ratio of net primary production (NPP) to gross primary production (GPP), describes the capacity of forests to transfer carbon (C) from the atmosphere to terrestrial biomass. It is widely assumed in many landscape‐scale carbon‐cycling models that CUE for forests is a constant value of ∼0.5. To achieve a constant CUE, tree respiration must be a constant fraction of canopy photosynthesis. We conducted a literature survey to test the hypothesis that CUE is constant and universal among forest ecosystems. Of the 60 data points obtained from 26 papers published since 1975, more than half reported values of GPP that were not estimated independently from NPP; values of CUE calculated from independent estimates of GPP were greater than those calculated from estimates of GPP derived from NPP. The slope of the relationship between NPP and GPP for all forests was 0.53, but values of CUE varied from 0.23 to 0.83 for different forest types. CUE decreased with increasing age, and a substantial portion of the variation among forest types was caused by differences in stand age. When corrected for age the mean value of CUE was greatest for temperate deciduous forests and lowest for boreal forests. CUE also increased as the ratio of leaf mass‐to‐total mass increased. Contrary to the assumption of constancy, substantial variation in CUE has been reported in the literature. It may be inappropriate to assume that respiration is a constant fraction of GPP as adhering to this assumption may contribute to incorrect estimates of C cycles. A 20% error in current estimates of CUE used in landscape models (i.e. ranging from 0.4 to 0.6) could misrepresent an amount of C equal to total anthropogenic emissions of CO 2 when scaled to the terrestrial biosphere.

Ecology Letters (2011) 14: 349–357 The earth’s future climate state is highly dependent upon changes in terrestrial C storage in response to rising concentrations of atmospheric CO2. Here we show that consistently enhanced rates of net primary production (NPP) are sustained by a C-cascade through the root-microbe-soil system; increases in the flux of C belowground under elevated CO2 stimulated microbial activity, accelerated the rate of soil organic matter decomposition and stimulated tree uptake of N bound to this SOM. This process set into motion a positive feedback maintaining greater C gain under elevated CO2 as a result of increases in canopy N content and higher photosynthetic N-use efficiency. The ecosystem-level consequence of the enhanced requirement for N and the exchange of plant C for N belowground is the dominance of C storage in tree biomass but the preclusion of a large C sink in the soil.

Abstract Increasing drought and extreme rainfall are major threats to maize production in the United States. However, compared to drought impact, the impact of excessive rainfall on crop yield remains unresolved. Here, we present observational evidence from crop yield and insurance data that excessive rainfall can reduce maize yield up to −34% (−17 ± 3% on average) in the United States relative to the expected yield from the long‐term trend, comparable to the up to −37% loss by extreme drought (−32 ± 2% on average) from 1981 to 2016. Drought consistently decreases maize yield due to water deficiency and concurrent heat, with greater yield loss for rainfed maize in wetter areas. Excessive rainfall can have either negative or positive impact on crop yield, and its sign varies regionally. Excessive rainfall decreases maize yield significantly in cooler areas in conjunction with poorly drained soils, and such yield loss gets exacerbated under the condition of high preseason soil water storage. Current process‐based crop models cannot capture the yield loss from excessive rainfall and overestimate yield under wet conditions. Our results highlight the need for improved understanding and modeling of the excessive rainfall impact on crop yield.

M orphological and anatomical features of plant leaves are commonly associated with metabolic type (e.g., Kranz anatomy of C4 species), amount of sun exposure (e.g., sun and shade leaves), or water stress (e.g., xeromorphism). However, although the primary function of the leaf is to absorb and process sunlight and carbon dioxide for photosynthesis, few structural features of leaves have been related mechanistically to these tasks. For example, it has been known for over a century that the internal anatomy of leaves is characterized by different cell layers (e.g., the palisade and spongy mesophyll) and that stomatal pores can be located on one or both sides of a leaf. Yet, only recently has any functional relationship between leaf form and photosynthetic performance been suggested. A variety of ecological studies have correlated numerous leaf structural parameters with photosynthetic performance (e.g., Abrams and Kubiske 1990, 1994, Hinckley et al. 1989,

Abstract One potentially significant impact of growing biofuel crops will be the sequestration or release of carbon (C) in soil. Soil organic carbon (SOC) represents an important C sink in the lifecycle C balances of biofuels and strongly influences soil quality. We assembled and analyzed published estimates of SOC change following conversion of natural or agricultural land to biofuel crops of corn with residue harvest, sugarcane, Miscanthus x giganteus , switchgrass, or restored prairie. We estimated SOC losses associated with land conversion and rates of change in SOC over time by regressing net change in SOC relative to a control against age since establishment year. Conversion of uncultivated land to biofuel agriculture resulted in significant SOC losses – an effect that was most pronounced when native land was converted to sugarcane agriculture. Corn residue harvest (at 25–100% removal) consistently resulted in SOC losses averaging 3–8 Mg ha −1 in the top 30 cm, whereas SOC accumulated under all four perennial grasses, with SOC accumulation rates averaging <1 Mg ha −1 yr −1 in the top 30 cm. More intensive harvests led to decreased C gains or increased C losses – an effect that was particularly clear for residue harvest in corn. Direct or indirect conversion of previously uncultivated land for biofuel agriculture will result in SOC losses that counteract the benefits of fossil fuel displacement. Additionally, SOC losses under corn residue harvest imply that its potential to offset C emissions may be overestimated, whereas SOC sequestration under perennial grasses represents an additional benefit that has rarely been accounted for in life cycle analyses of biofuels.