Abstract The measured net ecosystem exchange (NEE) of CO 2 between the ecosystem and the atmosphere reflects the balance between gross CO 2 assimilation [gross primary production (GPP)] and ecosystem respiration (R eco ). For understanding the mechanistic responses of ecosystem processes to environmental change it is important to separate these two flux components. Two approaches are conventionally used: (1) respiration measurements made at night are extrapolated to the daytime or (2) light–response curves are fit to daytime NEE measurements and respiration is estimated from the intercept of the ordinate, which avoids the use of potentially problematic nighttime data. We demonstrate that this approach is subject to biases if the effect of vapor pressure deficit (VPD) modifying the light response is not included. We introduce an algorithm for NEE partitioning that uses a hyperbolic light response curve fit to daytime NEE, modified to account for the temperature sensitivity of respiration and the VPD limitation of photosynthesis. Including the VPD dependency strongly improved the model's ability to reproduce the asymmetric diurnal cycle during periods with high VPD, and enhances the reliability of R eco estimates given that the reduction of GPP by VPD may be otherwise incorrectly attributed to higher R eco . Results from this improved algorithm are compared against estimates based on the conventional nighttime approach. The comparison demonstrates that the uncertainty arising from systematic errors dominates the overall uncertainty of annual sums (median absolute deviation of GPP: 47 g C m −2 yr −1 ), while errors arising from the random error (median absolute deviation: ∼2 g C m −2 yr −1 ) are negligible. Despite site‐specific differences between the methods, overall patterns remain robust, adding confidence to statistical studies based on the FLUXNET database. In particular, we show that the strong correlation between GPP and R eco is not spurious but holds true when quasi‐independent, i.e. daytime and nighttime based estimates are compared.

Recent European heatwaves have raised interest in the impact of land cover conditions on temperature extremes. At present, it is believed that such extremes are enhanced by stronger surface heating of the atmosphere, when soil moisture content is below average. However, the impact of land cover on the exchange of water and energy and the interaction of this exchange with the soil water balance during heatwaves is largely unknown. Here we analyse observations from an extensive network of flux towers in Europe that reveal a difference between the temporal responses of forest and grassland ecosystems during heatwaves. We find that initially, surface heating is twice as high over forest than over grassland. Over grass, heating is suppressed by increased evaporation in response to increased solar radiation and temperature. Ultimately, however, this process accelerates soil moisture depletion and induces a critical shift in the regional climate system that leads to increased heating. We propose that this mechanism may explain the extreme temperatures in August 2003. We conclude that the conservative water use of forest contributes to increased temperatures in the short term, but mitigates the impact of the most extreme heat and/or long-lasting events. European heatwaves have raised interest in the impact of land-cover conditions on temperature extremes. Analyses of observations from an extensive network of flux towers in Europe reveal a difference in the response of forests and grassland to extreme or long-lasting heat.

Half‐hourly measurements of the net exchanges of carbon dioxide and water vapor between terrestrial ecosystems and the atmosphere provide estimates of gross primary production (GPP) and evapotranspiration (ET) at the ecosystem level and on daily to annual timescales. The ratio of these quantities represents ecosystem water use efficiency. Its multiplication with mean daylight vapor pressure deficit (VPD) leads to a quantity which we call “inherent water use efficiency” (IWUE*). The dependence of IWUE* on environmental conditions indicates possible adaptive adjustment of ecosystem physiology in response to a changing environment. IWUE* is analyzed for 43 sites across a range of plant functional types and climatic conditions. IWUE* increases during short‐term moderate drought conditions. Mean annual IWUE* varied by a factor of 3 among all sites. This is partly explained by soil moisture at field capacity, particularly in deciduous broad‐leaved forests. Canopy light interception sets the upper limits to canopy photosynthesis, and explains half the variance in annual IWUE* among herbaceous ecosystems and evergreen needle‐leaved forests. Knowledge of IWUE* offers valuable improvement to the representation of carbon and water coupling in ecosystem process models.

Abstract Great uncertainty exists in the global exchange of carbon between the atmosphere and the terrestrial biosphere. An important source of this uncertainty lies in the dependency of photosynthesis on the maximum rate of carboxylation ( V cmax ) and the maximum rate of electron transport ( J max ). Understanding and making accurate prediction of C fluxes thus requires accurate characterization of these rates and their relationship with plant nutrient status over large geographic scales. Plant nutrient status is indicated by the traits: leaf nitrogen (N), leaf phosphorus (P), and specific leaf area ( SLA ). Correlations between V cmax and J max and leaf nitrogen (N) are typically derived from local to global scales, while correlations with leaf phosphorus (P) and specific leaf area ( SLA ) have typically been derived at a local scale. Thus, there is no global‐scale relationship between V cmax and J max and P or SLA limiting the ability of global‐scale carbon flux models do not account for P or SLA . We gathered published data from 24 studies to reveal global relationships of V cmax and J max with leaf N, P, and SLA . V cmax was strongly related to leaf N, and increasing leaf P substantially increased the sensitivity of V cmax to leaf N. J max was strongly related to V cmax , and neither leaf N, P, or SLA had a substantial impact on the relationship. Although more data are needed to expand the applicability of the relationship, we show leaf P is a globally important determinant of photosynthetic rates. In a model of photosynthesis, we showed that at high leaf N (3 gm −2 ), increasing leaf P from 0.05 to 0.22 gm −2 nearly doubled assimilation rates. Finally, we show that plants may employ a conservative strategy of J max to V cmax coordination that restricts photoinhibition when carboxylation is limiting at the expense of maximizing photosynthetic rates when light is limiting.

Tower CO2 flux measurements from 20 European grasslands in the EUROGRASSFLUX data set covering a wide range of environmental and management conditions were analyzed with respect to their ecophysiological characteristics and CO2 exchange (gross primary production, Pg, and ecosystem respiration, Re) using light-response function analysis. Photosynthetically active radiation (Q) and top-soil temperature (Ts) were identified as key factors controlling CO2 exchange between grasslands and the atmosphere at the 30-min scale. A nonrectangular hyperbolic light-response model P(Q) and modified nonrectangular hyperbolic light–temperature-response model P(Q, Ts) proved to be flexible tools for modeling CO2 exchange in the light. At night, it was not possible to establish robust instantaneous relationships between CO2 evolution rate rn and environmental drivers, though under certain conditions, a significant relationship rn=r0ekTTs was found using observation windows 7–14 days wide. Principal light-response parameters—apparent quantum yield, saturated gross photosynthesis, daytime ecosystem respiration, and gross ecological light-use efficiency, ɛ = Pg/Q, display patterns of seasonal dynamics which can be formalized and used for modeling. Maximums of these parameters were found in intensively managed grasslands of Atlantic climate. Extensively used semi-natural grasslands of southern and central Europe have much lower production, respiration, and light-use efficiency, while temperate and mountain grasslands of central Europe ranged between these two extremes. Parameters from light–temperature-response analysis of tower data are in agreement with values obtained using closed chambers and free-air CO2 enrichment. Correlations between light-response and productivity parameters provides the possibility to use the easier to measure parameters to estimate the parameters that are more difficult to measure. Gross primary production (Pg) of European grasslands ranges from 1700 g CO2 m−2 year−1 in dry semi-natural pastures to 6900 g CO2 m−2 year−1 in intensively managed Atlantic grasslands. Ecosystem respiration (Re) is in the range 1800 < Re < 6000 g CO2 m−2 year−1. Annual net ecosystem CO2 exchange (NEE) varies from significant net uptake (>2400 g CO2 m−2 year−1) to significant release (<−600 g CO2 m−2 year−1), though in 15 out of 19 cases grasslands performed as net CO2 sinks. The carbon source was associated with organic rich soils, grazing, and heat stress. Comparison of Pg, Re, and NEE for tower sites with the same characteristics from previously published papers obtained with other methods did not reveal significant discrepancies. Preliminary results indicate relationships of grassland Pg and Re to macroclimatic factors (precipitation and temperature), but these relationships cannot be reduced to simple monofactorial models.

Climate models suggest that enhanced greenhouse gas concentrations and aerosols have major impacts on the land energy and water cycles, and in particular on evapotranspiration (ET). Here we analyze how the main external drivers of ET (incident solar radiation and precipitation) vary regionally, using recent data from a eddy‐covariance flux tower network (FLUXNET) and a multi‐model re‐analysis (GSWP‐2). Trends in radiation (global “dimming” and “brightening”) are expected to impact ET only in regions where ET correlates with radiation. In central Europe this correlation is particularly strong, and trends derived from weighing lysimeters and river‐basin water budgets follow trends in radiation. In central North America the correlation is weak, and trends in precipitation rather than radiation explain trends in ET. Our results reconcile previous hypotheses by demonstrating the strongly regional and temporal differentiation of trends in evaporation.

Significance Terrestrial gross primary productivity (GPP), the total photosynthetic CO 2 fixation at ecosystem level, fuels all life on land. However, its spatiotemporal variability is poorly understood, because GPP is determined by many processes related to plant phenology and physiological activities. In this study, we find that plant phenological and physiological properties can be integrated in a robust index—the product of the length of CO 2 uptake period and the seasonal maximal photosynthesis—to explain the GPP variability over space and time in response to climate extremes and during recovery after disturbance.

Soil respiration constitutes the second largest flux of carbon (C) between terrestrial ecosystems and the atmosphere. This study provides a synthesis of soil respiration (R(s)) in 20 European grasslands across a climatic transect, including ten meadows, eight pastures and two unmanaged grasslands. Maximum rates of R(s) (R(s(max) )), R(s) at a reference soil temperature (10°C; R(s(10) )) and annual R(s) (estimated for 13 sites) ranged from 1.9 to 15.9 μmol CO(2) m(-2) s(-1), 0.3 to 5.5 μmol CO(2) m(-2) s(-1) and 58 to 1988 g C m(-2) y(-1), respectively. Values obtained for Central European mountain meadows are amongst the highest so far reported for any type of ecosystem. Across all sites R(s(max) ) was closely related to R(s(10) ).Assimilate supply affected R(s) at timescales from daily (but not necessarily diurnal) to annual. Reductions of assimilate supply by removal of aboveground biomass through grazing and cutting resulted in a rapid and a significant decrease of R(s). Temperature-independent seasonal fluctuations of R(s) of an intensively managed pasture were closely related to changes in leaf area index (LAI). Across sites R(s(10) ) increased with mean annual soil temperature (MAT), LAI and gross primary productivity (GPP), indicating that assimilate supply overrides potential acclimation to prevailing temperatures. Also annual R(s) was closely related to LAI and GPP. Because the latter two parameters were coupled to MAT, temperature was a suitable surrogate for deriving estimates of annual R(s) across the grasslands studied. These findings contribute to our understanding of regional patterns of soil C fluxes and highlight the importance of assimilate supply for soil CO(2) emissions at various timescales.

The Budyko framework elegantly reduces the complex spatial patterns of actual evapotranspiration and runoff to a general function of two variables: mean annual precipitation (MAP) and net radiation. While the methodology has first‐order skill, departures from a globally averaged curve can be significant and may be usefully attributed to additional controls such as vegetation type. This paper explores the magnitude of such departures as detected from flux tower measurements of ecosystem‐scale evapotranspiration, and investigates their attribution to site characteristics (biome, seasonal rainfall distribution, and frozen precipitation). The global synthesis (based on 167 sites with 764 tower‐years) shows smooth transition from water‐limited to energy‐limited control, broadly consistent with catchment‐scale relations and explaining 62% of the across site variation in evaporative index (the fraction of MAP consumed by evapotranspiration). Climate and vegetation types act as additional controls, combining to explain an additional 13% of the variation in evaporative index. Warm temperate winter wet sites (Mediterranean) exhibit a reduced evaporative index, 9% lower than the average value expected based on dryness index, implying elevated runoff. Seasonal hydrologic surplus explains a small but significant fraction of variance in departures of evaporative index from that expected for a given dryness index. Surprisingly, grasslands on average have a higher evaporative index than forested landscapes, with 9% more annual precipitation consumed by annual evapotranspiration compared to forests. In sum, the simple framework of supply‐ or demand‐limited evapotranspiration is supported by global FLUXNET observations but climate type and vegetation type are seen to exert sizeable additional controls.