Effects of elevated atmospheric CO2 concentrations on carbon and nitrogen fluxes in a grazed pasture : a thesis presented in partial fulfilment of the requirements for the degree of Ph. D. in Plant Science at Massey University and the degree of Docteur en Sciences, speciality Sciences Agronomiques at the Institut National Polytechnique de Lorraine

Abstract

Predicting the response of grazed grasslands to elevated CO2 is of central importance in global change research as grasslands represent 20% of the worlds' land area and grassland soils are a major sink for carbon (C). Grasslands responses to elevated CO2 are strongly controlled by the availability of other nutrients and nitrogen (N) in particular. There have been many previous studies of N cycling in grasslands exposed to elevated CO2 but none of these experiments were grazed. In this thesis I present data on CO2 effects on N cycling from an experimental system (FACE: Free Air Carbon dioxide Enrichment) that enabled grazing to be included. The thesis focuses on the effects of elevated CO2 on the different processes involved in organic matter (OM) returns from the plant to the soil and the consequences for N availability. In Chapter 1, it was shown that elevated CO2 modified N returns by grazing animals by altering the partitioning of N between faeces and urine creating a potential for enhanced N losses at elevated CO2. Plant litter decomposition rates were, at the ecosystem scale, not affected by elevated CO2 (Chapter 3), but a marked increase in the organic matter fluxes, from roots, led to an accumulation of coarse OM in the soil (Chapter 4). In Chapter 5, using 14C and 15N labelling, I compared short-term (plant mediated) and long-term (soil mediated) effects of elevated CO2 on soil OM dynamics and concluded that soil OM accumulation under elevated CO2 was not caused by C or N limitation but probably by the availability of other nutrients. The thesis demonstrates that the inclusion of grazing animals can strongly modify N cycling under elevated CO2. As most grasslands are grazed, the prediction of grassland responses to elevated CO2 must be derived from systems in which animals are an integral part.

Prédire la réponse des prairies pâturées a l'élévation de la concentration en C02 revet une importance majeure dans la mesure où cet écosystème représente environ 20% de ·la surface terrestre non immergée mais aussi, parce que les sols prairiaux représentent un important puit de carbone (C). La reponse des prairies au CO2 est fortement contr6lée par la disponibilité des autres nutriments et en particulier l'azote (N). De nombreuses expériences ont par le passé étudié le cycle de l'azote en prairie sous C02 enrichi mais aucunes de ces études n'a inclus le pâturage. Dans le cadre de cette thèse, je présente des données concernant les effets du C02 sur le cycle de l'N provenant d'un système expérimental (FACE: enrichissement en dioxyde de carbone a l ' air libre) permettant d'inclure des ruminants. Cette thèse est dédiée à l'étude des effets de l'élévation en C02 sur les différents processus impliqués dans les retours de matière organique (MO) de la plante vers le sol et leurs conséquences pour la disponibilité en N. Dans le Chapitre 1, il a été montré que le C02 pouvait modifier les retours d'N par les ruminants en affectant la partition d'N entre l'urine et les faeces, ce qui induisait des pertes d ' N potentiellement accrues. La décomposition de la litière végétale, considérée a l'échelle de l'écosystème, n'a pas été affectée par le C02 (Chapitre 3) mais une forte augmentation du volume de MO retournant au sol depuis les racines a induit une accumulation de MO grossière dans le sol (Chapitre 4). Au cours du Chapitre 5, a l'aide d'un double marquage isotopique 14C et 1 5N, nous avons comparé les effets court terme (transmis par la plante) et long terme (transmis par le sol) du C02 sur la dynamique de la MO du sol et il a été conclu que l'accumulation de MO n 'était pas causée par une limitation en C ou en N mais probablement par la disponibilité des autres nutriments . Cette thèse démontre que les ruminants peuvent fortement modifier la réponse des prairies au C02. Dans la mesure où ce mode d'utilisation des patures est largement majoritaire, prédire les réponses des pâtures à un enrichissement en C02 doit provenir de systèmes où les ruminants sont partie intégrante.