It is widely believed that soil disturbance by tillage was a primary cause of the historical loss of soil organic carbon (SOC) in North America, and that substantial SOC sequestration can be accomplished by changing from conventional plowing to less intensive methods known as conservation tillage. This is based on experiments where changes in carbon storage have been estimated through soil sampling of tillage trials. However, sampling protocol may have biased the results. In essentially all cases where conservation tillage was found to sequester C, soils were only sampled to a depth of 30 cm or less, even though crop roots often extend much deeper. In the few studies where sampling extended deeper than 30 cm, conservation tillage has shown no consistent accrual of SOC, instead showing a difference in the distribution of SOC, with higher concentrations near the surface in conservation tillage and higher concentrations in deeper layers under conventional tillage. These contrasting results may be due to tillage-induced differences in thermal and physical conditions that affect root growth and distribution. Long-term, continuous gas exchange measurements have also been unable to detect C gain due to reduced tillage. Though there are other good reasons to use conservation tillage, evidence that it promotes C sequestration is not compelling.

Significance Global food and biofuel production and their vulnerability in a changing climate are of paramount societal importance. However, current global model predictions of crop photosynthesis are highly uncertain. Here we demonstrate that new space-based observations of chlorophyll fluorescence, an emission intrinsically linked to plant biochemistry, enable an accurate, global, and time-resolved measurement of crop photosynthesis, which is not possible from any other remote vegetation measurement. Our results show that chlorophyll fluorescence data can be used as a unique benchmark to improve our global models, thus providing more reliable projections of agricultural productivity and climate impact on crop yields. The enormous increase of the observational capabilities for fluorescence in the very near future strengthens the relevance of this study.

A potential abatement to increasing levels of carbon dioxide (CO2) in the atmosphere is the use of pyrolysis to convert vegetative biomass into a more stable form of carbon (biochar) that could then be applied to the soil. However, the impacts of pyrolysis biochar on the soil system need to be assessed before initiating large scale biochar applications to agricultural fields. We compared CO2 respiration, nitrous oxide (N2O) production, methane (CH4) oxidation and herbicide retention and transformation through laboratory incubations at field capacity in a Minnesota soil (Waukegan silt loam) with and without added biochar. CO2 originating from the biochar needs to be subtracted from the soil–biochar combination in order to elucidate the impact of biochar on soil respiration. After this correction, biochar amendments reduced CO2 production for all amendment levels tested (2, 5, 10, 20, 40 and 60% w/w; corresponding to 24–720 t ha−1 field application rates). In addition, biochar additions suppressed N2O production at all levels. However, these reductions were only significant at biochar amendment levels >20% w/w. Biochar additions also significantly suppressed ambient CH4 oxidation at all levels compared to unamended soil. The addition of biochar (5% w/w) to soil increased the sorption of atrazine and acetochlor compared to non-amended soils, resulting in decreased dissipation rates of these herbicides. The recalcitrance of the biochar suggests that it could be a viable carbon sequestration strategy, and might provide substantial net greenhouse gas benefits if the reductions in N2O production are lasting.

Extensions to the land surface scheme (LSS) in the National Centers for Environmental Prediction, regional, coupled, land‐atmosphere weather prediction model, known as the mesoscale Eta model, are proposed and tested off‐line in uncoupled mode to account for seasonal freezing and thawing of soils and snow‐accumulation‐ablation processes. An original model assumption that there is no significant heat transfer during redistribution of liquid water was relaxed by including a source/sink term in the heat transfer equation to account for latent heat during phase transitions of soil moisture. The parameterization uses the layer‐integrated form of heat and water diffusion equations adopted by the original Eta‐LSS. Therefore it simulates the total ice content of each selected soil layer. Infiltration reduction under frozen ground conditions was estimated by probabilistic averaging of spatially variable ice content of the soil profile. Off‐line uncoupled tests of the new and original Eta‐LSS were performed using experimental data from Rosemount, Minnesota. Simulated soil temperature and unfrozen water content matched observed data reasonably well. Neglecting frozen ground processes leads to significant underestimation/overestimation of soil temperature during soil freezing/thawing periods and underestimates total soil moisture content after extensive periods of soil freezing.

Soil organic carbon (SOC) and nitrogen (N) are directly influenced by tillage, residue return and N fertilization management practices. Soil samples for SOC and N analyses, obtained from a 23-year field experiment, provided an assessment of near-equilibrium SOC and N conditions. Crops included corn (Zea mays L.) and soybean [Glycine max L. (Merrill)]. Treatments of conventional and conservation tillage, residue stover (returned or harvested) and two N fertilization rates were imposed on a Waukegan silt loam (fine-silty over skeletal, mixed, superactive, mesic Typic Hapludoll) at Rosemount, MN. The surface (0–20 cm) soils with no-tillage (NT) had greater than 30% more SOC and N than moldboard plow (MB) and chisel plow (CH) tillage treatments. The trend was reversed at 20–25 cm soil depths, where significantly more SOC and N were found in MB treatments (26 and 1.5 Mg SOC and N ha−1, respectively) than with NT (13 and 1.2 Mg SOC and N ha−1, respectively), possibly due to residues buried by inversion. The summation of soil SOC over depth to 50 cm did not vary among tillage treatments; N by summation was higher in NT than MB treatments. Returned residue plots generally stored more SOC and N than in plots where residue was harvested. Nitrogen fertilization generally did not influence SOC or N at most soil depths. These results have significant implications on how specific management practices maximize SOC storage and minimize potential N losses. Our results further suggest different sampling protocols may lead to different and confusing conclusions regarding the impact of tillage systems on C sequestration.

Abstract. Heat balance methods of stem flow measurement offer the opportunity to measure directly the mass flow rate of water in plants. We have tested one such approach; the constant power heat balance method of Sakuratani (1981). The results supported his statement of an approximate accuracy of 10% when measuring the transpiration rate of herbaceous plants. The response to sudden changes in stem flow rate is not instantaneous, but investigation of the time constant shows that it decreases as stem flow increases, to the extent that, at flow rates typical of daytime conditions the system is capable of accurately tracking changes in stem flow within 5 min or less. We describe a new gauge design that is relatively rugged, simple to use with an appropriate digital datalogger and suitable for field use over prolonged periods of time. It does not injure or penetrate the stem, is amenable to continuous and direct recording of the mass flow rate of water in the stem and requires no calibration. A further refinement, which should improve both the accuracy and the dynamic response of the system, is proposed.

The ECOsystem Spaceborne Thermal Radiometer Experiment on Space Station (ECOSTRESS) was launched to the International Space Station on 29 June 2018 by the National Aeronautics and Space Administration (NASA). The primary science focus of ECOSTRESS is centered on evapotranspiration (ET), which is produced as Level-3 (L3) latent heat flux (LE) data products. These data are generated from the Level-2 land surface temperature and emissivity product (L2_LSTE), in conjunction with ancillary surface and atmospheric data. Here, we provide the first validation (Stage 1, preliminary) of the global ECOSTRESS clear-sky ET product (L3_ET_PT-JPL, Version 6.0) against LE measurements at 82 eddy covariance sites around the world. Overall, the ECOSTRESS ET product performs well against the site measurements (clear-sky instantaneous/time of overpass: r2 = 0.88; overall bias = 8%; normalized root-mean-square error, RMSE = 6%). ET uncertainty was generally consistent across climate zones, biome types, and times of day (ECOSTRESS samples the diurnal cycle), though temperate sites are overrepresented. The 70-m-high spatial resolution of ECOSTRESS improved correlations by 85%, and RMSE by 62%, relative to 1-km pixels. This paper serves as a reference for the ECOSTRESS L3 ET accuracy and Stage 1 validation status for subsequent science that follows using these data.

Xylan, a hemicellulosic component of the plant cell wall, is one of the most abundant polysaccharides in nature. In contrast to dicots, xylan in grasses is extensively modified by α-(1,2)– and α-(1,3)–linked arabinofuranose. Despite the importance of grass arabinoxylan in human and animal nutrition and for bioenergy, the enzymes adding the arabinosyl substitutions are unknown. Here we demonstrate that knocking-down glycosyltransferase (GT) 61 expression in wheat endosperm strongly decreases α-(1,3)–linked arabinosyl substitution of xylan. Moreover, heterologous expression of wheat and rice GT61s in Arabidopsis leads to arabinosylation of the xylan, and therefore provides gain-of-function evidence for α-(1,3)-arabinosyltransferase activity. Thus, GT61 proteins play a key role in arabinoxylan biosynthesis and therefore in the evolutionary divergence of grass cell walls.

Significance N 2 O has 300 times the global warming potential of CO 2 on a 100-y timescale, and is of major importance for stratospheric ozone depletion. The climate sensitivity of N 2 O emissions is poorly known, which makes it difficult to project how changing fertilizer use and climate will impact radiative forcing and the ozone layer. Here, atmospheric inverse analyses reveal that direct and indirect N 2 O emissions from the US Corn Belt are highly sensitive to perturbations in temperature and precipitation. We combine top-down constraints on these emissions with a land surface model to evaluate the climate feedback on N 2 O emissions. Our results show that, as the world becomes warmer and wetter, such feedbacks will pose a major challenge to N 2 O mitigation efforts.