The significance of cellulose-18O for understanding water-use efficiency of grassland: Evidence from experimental, observational and process-based modeling studies
Final Report Abstract
Die intrinsische Wassernutzungseffizienz (iWUE) – das Verhältnis von Photosynthese zu stomatärer Leitfähigkeit – hat im letzten Jahrhundert im gemäßigten Grasland sehr stark zugenommen, ein Hinweis dafür, dass der rezente Klimawandel das Verhältnis von C-Senkenaktivität zu Wasserverbrauch auch im Grasland stark beeinflusst hat. Unbekannt war jedoch, inwiefern die einzelnen Komponenten der iWUE (photosynthetische Aktivität oder stomatäre Leitfähigkeit) zur Zunahme der iWUE beigetragen haben. Hauptziel des Projektes war es, diese Frage zu klären. Die Interpretation der 18O-Isotopensignatur (δ18OCellulose) in der Zellulose spielte dabei eine wichtige Rolle, weil zeitgenössische Untersuchungen einen negativen Zusammenhang zwischen δ18OCellulose bzw. der 18O-Anreicherung in der Zellulose (∆18Ocellulose) und der stomatären Leitfähigkeit bei verschiedenen Pflanzenarten in unterschiedlichen Umweltszenarien gefunden haben. So ergab sich möglicherweise die Gelegenheit, Änderungen der stomatären Leitfähigkeit in archiviertem Probenmaterial des Park Grass Experiments (PGE) in Rothamsted/England nachzuzeichnen. Allerdings ist der mechanistische Zusammenhang zwischen δ18OCellulose (bzw. ∆18OCellulose) und stomatärer Leitfähigkeit bisher nicht befriedigend geklärt, und der quantitative Zusammenhang zwischen den beiden Größen weist zwischen verschiedenen Studien starke Streuung auf. Deshalb untersuchten wir im Projekt zusätzlich (1) verschiedene morpho-physiologische Mechanismen der Reaktion von Deutsch Weidelgras (Lolium perenne) auf unterschiedliche Luftfeuchten bei sub-ambienter, ambienter oder doppelt-ambienter CO2 Konzentration, einschließlich der stomatären Leitfähigkeit und der Komponenten des Barbour-Farquhar Modells (2000) der ∆18OCellulose, (2) Unterschiede in der ∆18Ocellulose zwischen verschiedenen funktionellen Gruppen im Grasland, und (3) die 18O-Ökohydrologie und ∆18Ocellulose eines Weideökosystems mithilfe eines isotopenbefähigten, prozessbasierten Boden-Pflanze-Atmosphäre Modells (MuSICA). Wir fanden unter (1) starke CO2- und Luftfeuchte-getriebene tageszeitliche Schwankungen des Blattwachstums, mit reduzierten Raten während der Lichtperiode und kompensierendem stored-growth Wachstum im Dunkeln, und eine Variation von ∆18Ocellulose, welche ausschließlich ein photosynthetisches Signal darstellt, das durch die 18O-Anreicherung von Wasser am Ort der Photosynthese bestimmt wird, jedoch nicht mit der durchschnittlichen 18O-Anreicherung des Blattwasser geschätzt werden kann. Untersuchungen unter (2) belegten eine systematisch um ~0.6‰ erhöhte ∆18Ocellulose bei Kräutern und Leguminosen im Vergleich zu Gräsern. Unter (3) ergab der Vergleich von MuSICA Simulationen und mehrjährigen Beobachtungen der 18O-Isotopensignaturen von Ökosystemwasserpools und Zellulose eine detaillierte Beschreibung der Ökohydrologie einer Weide, erhärtete die Temperaturabhängigkeit der 18O-Isotopenfraktionierung bei der Zellulosesynthese und zeigte gleichzeitig, dass die Relation zwischen ∆18OCellulose und ∆18OBlattwasser von der Luftfeuchte abhängig ist, eine Abhängigkeit, welche wohl auf einem Luftfeuchte-abhängigen Fehler bei der Schätzung der 18O-Isotopensignatur des Wassers am Ort der Photosynthese mit ∆18OBlattwasser beruht. Das wohl wichtigste Resultat war die Erkenntnis, dass die stomatäre (Bestandes)Leitfähigkeit von Grasland im PGE in grasreichen Pflanzenbeständen im Vergleich zu kräuter- und leguminosenreichen Beständen im letzten Jahrhundert sehr stark zurückgegangen ist, ein Effekt, der mit rückläufigen Erträgen und reduzierter N-Aufnahme verbunden war und gleichzeitig eine verstärkte Zunahme der iWUE bei grasreichen Beständen begründete. Diese Ergebnisse hatten auch eine gute Resonanz bei den Publikumsmedien (z.B. https://bmcbiol.biomedcentral.com/articles/10.1186/s12915-021-00988-4/metrics).
Publications
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(2019) The 18O ecohydrology of a grassland ecosystem – predictions and observations. Hydrology and Earth Systems Sciences 23, 2581-2600
Hirl RT, Schnyder H, Ostler, U, Schäufele R, Schleip I, Vetter SH, Auerswald K, Baca Cabrera JC, Wingate L, Barbour, MM, Ogée J
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(2020) Atmospheric CO2 and VPD alter the diel oscillation of leaf elongation in perennial ryegrass: compensation of hydraulic limitation by stored-growth. New Phytologist 227: 1776-1789
Baca Cabrera JC, Hirl RT, Zhu J, Schäufele R, Schnyder H
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(2021) 18O enrichment of leaf cellulose correlated with 18O enrichment of leaf sucrose but not bulk leaf water in a C3 grass across contrasts of atmospheric CO2 concentration and air humidity. Preprint, ResearchSquare
Baca Cabrera JC, Hirl RT, Schäufele R, Zhu J, Liu HT, Ogée J, Schnyder H
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(2021) Loss of fungal symbionts at the arid limit of the distribution range in a native Patagonian grass – Resource ecophysiological relations. Functional Ecology
Casas C, Gundel P, Deliens E, Iannone LJ, Martinez GG, Vignale MV, Schnyder H
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(2021) Stomatal conductance limited the CO2 response of grassland in the last century. BMC Biology 19, 50
Baca Cabrera JC, Hirl RT, Schäufele R, Macdonald A, Schnyder H
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(2021) Temperature-sensitive biochemical 18O-fractionation and humidity-dependent attenuation factor are needed to predict d18O of cellulose from leaf water in a grassland ecosystem. New Phytologist 229: 3156-3171
Hirl RT, Ogée J, Ostler U, Schäufele R, Baca Cabrera JC, Zhu J, Schleip I, Wingate L, Schnyder H
