The contribution of nitrogen deposition to the photosynthetic capacity of forests

Global terrestrial carbon (C) sequestration has increased over the last few decades. The drivers of carbon sequestration, the geographical spread and magnitude of this sink are however hotly debated. Photosynthesis determines the total C uptake of terrestrial ecosystems and is a major flux of the global C balance. We contribute to the discussion on enhanced C sequestration by analyzing the influence of nitrogen (N) deposition on photosynthetic capacity (A_max) of forest canopies. Eddy covariance measurements of net exchange of carbon provide estimates of gross primary production, from which A_max is derived with a novel approach. Canopy A_max is combined with modeled N deposition, environmental variables and stand characteristics to study the relative effects on Amax for a unique global data set of 80 forest FLUXNET sites. Canopy A_max relates positively to N deposition for evergreen needleleaf forests below an observed critical load of ~ 8 kg N ha^–1 yr^–1, with a slope of 2.0 ± 0.4 (S.E.) µmol CO₂ m^–2 s^–1 per 1 kg N ha^–1 yr^–1. Above this threshold canopy A_max levels off, exhibiting a saturating response in line with the N saturation hypothesis. Climate effects on canopy A_max cannot be separated from the effect of N deposition due to considerable covariation. For deciduous broadleaf forests and forests in the temperate (-continental) climate zones, the analysis shows the N deposition effect to be either small or absent. Leaf area index and foliar N concentration are positively but weakly related to A_max. We conclude that flux tower measurements of C fluxes provide valuable data to study physiological processes at the canopy scale. Future efforts need to be directed toward standardizing measures N cycling and pools within C monitoring networks to gain a better understanding of C and N interactions, and to disentangle the role of climate and N deposition in forest ecosystems.

Wereldwijde terrestrische koolstof (C) vastlegging is toegenomen in de afgelopen decennia. De drijvende kracht achter koolstofvastlegging, de geografische spreiding en de omvang van deze plaatsen zijn echter fel bediscussieerd. Fotosynthese is bepalend voor de totale C-opname van terrestrische ecosystemen en is een belangrijke kracht bij het tot stand komen van het wereldwijde C-balans. Wij dragen bij aan de discussie over betere koolstofopslag door het analyseren van de invloed van stikstof-depositie op fotosynthetische capaciteit (A_max) van bossen. Met behulp van ‘eddy covariantie’-metingen naar de netto-uitwisseling van koolstof is een schatting gemaakt van de bruto primaire productie, waaruit de A_max kan worden bepaald met een nieuwe benadering. De A_max van het bladerdak wordt gecombineerd met de gemodelleerde N-depositie, omgevingsvariabelen en de basale kenmerken om hun relatieve effecten op A_max te bestuderen. Voor dit onderzoek is gebruik gemaakt van een unieke wereldwijde dataset bestaande uit 80 ‘bos FLUXNET’-websites. De bladerdak-A_max is positief gecorreleerd aan de N-depositie in groenblijvende naald- en loofbossen zolang deze depositie onder de kritische belasting van ~ 8 kg N ha^-1 jaar^-1, met een helling van 2,0 ± 0,4 (SE) mol CO₂ m^-2 s^-1 per 1 kg N ha^-1 jaar^-1 blijft. Boven deze kritische grens, vlakt de bladerdak-A_max af met een trend die overeenkomt met de stikstofverzadigingshypothese.
"Klimaateffecten op de bladerdak-A_max en klimaateffecten op N-depositie kunnen niet compleet los van elkaar bekeken worden door de aanzienlijke covariantie tussen deze twee. Voor bladverliezende breedbladige bossen en bossen in de gematigde (continentale) klimaatzones, blijkt uit de analyse van de N-depositie dat het effect op de bladerdak-A_max klein of afwezig zijn. Bladoppervlakte-index en blad N-concentratie zijn positief maar zwak gecorreleerd met A_max. We concluderen dat ‘flux-tower’-metingen van koolstofstromen waardevolle gegevens opleveren om fysiologische processen op bladerdakschaal te bestuderen. Toekomstige stappen moeten worden gezet richting de standaardisatie van stikstofcycli en -opslag binnen de C-monitornetwerken om tot een beter begrip van C- en N-interacties te komen, en om de rol van het klimaat en stikstofdepositie te ontrafelen in bosecosystemen.