Biological and environmental controls of carbon - ETH E

DISS. ETH NO. 18150
Biological and environmental controls of carbon
isotopic fractionation and time lags between
assimilation and respiration
A dissertation submitted to
ETH ZURICH
for the degree of
Doctor of Sciences
presented by
YANN LOUIS BAPTISTE SALMON
DEA Biologie de L’Evolution et Ecologie, Université de
Montpellier II
Born 7 February 1980
Of French Nationality
accepted on the recommendation of
Prof. Dr. Nina Buchmann, examiner
Prof. Dr. Hans Schnyder, co-examiner
Dr. Romain L. Barnard, co-examiner
Summary
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Summary
Given the increasing carbon dioxide concentration in the atmosphere and its strong
impact on Earth’s climate, the need to understand plant and ecosystem carbon budgets
and the most relevant processes driving the biospheric-atmospheric gas exchange is of
primary importance. Because carbon stable isotope ratio (13C/12C, expressed as δ13C)
is affected by physical, chemical and metabolic processes, it is used to assess
environmental and biological controls on ecosystem carbon fluxes, and thus carbon
exchange between the vegetation and the atmosphere. Although some of these
controls have been studied over the past decade, the mechanisms of response of the
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C signature of ecosystem components (plant tissues, soil organic matter and soil
microbial biomass) and respired CO2 fluxes to these controls remain largely unknown.
The aim of the present thesis is to gain a better understanding of the
environmental and biological controls of mechanisms changes in δ13C of ecosystem
components (δ13Cp) and respired CO2 (δ13CR) with its two main components: leaf- and
soil-respired CO2 (δ13CR-leaf and δ13CR-soil, respectively), with a particular focus on
post-photosynthetic processes.
In chapter 1 and chapter 2, the biological controls exerted by plant functional
group and ontogeny on discrimination (Δ), post-carboxylation discrimination (PCD)
and respiratory discrimination (RD) were studied. Under controlled conditions, plant
ecophysiological parameters and δ13C in leaf, phloem and root organic matter, bulk
soil and microbial biomass as well as leaf- and soil-respired CO2 of seven herbaceous
species were measured at three ontogenetic stages over their life cycle (young, mature,
old). Both functional group (FG) and ontogeny significantly affected Δ, but changes
in Δ were not explained by plant physiology. Strong impact of FG and ontogeny on
large PCD and RD were shown for the first time in herbaceous species. Moreover,
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Summary
PCD tightly scaled with leaf conductance and assimilation. This result suggests that
PCD is driven by carbon sink regulation in the plant. Changes in δ13C due to ontogeny
were at least of similar magnitude as those caused by environmental variables. Thus,
ontogeny needs to be considered in ecosystem studies and also integrated in largerscale carbon circulation models.
In chapter 3, the environmental and physiological controls over temporal
changes in δ13C of respired CO2 were investigated in a Pinus sylvestris stand, by
following the diel dynamics of the
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C signature in the ecosystem from newly-
assimilated organic matter pools in the needles, via phloem-transported organic matter
in twigs and trunks to trunk-, soil- and ecosystem-respired CO2. Diel variations of
δ13C were found in leaf and twig phloem sap organic matter, as well as in the δ13C of
trunk-respired CO2. However, this diel variation was strongly dampened as
carbohydrates were transported down the trunk. Periodicity of the δ13C of trunkrespired CO2 seemed to originate from RD. The diel patterns of δ13C in soil-respired
CO2 were partly explained by soil temperature and moisture and were probably due to
changes in the relative contribution of heterotrophic and autotrophic CO2 fluxes to
total soil efflux in response to environmental conditions. This study showed that direct
relations between the δ13C of recent assimilates and respired CO2 may not be present
on a diel time scale, and that other factors, such as RD, are leading to short-term
variations in δ13C of ecosystem-emitted CO2.
In chapter 4, a companion study of the previous chapter, the
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O/16O stable
isotope ratio (δ18O) was used to characterize environmental and physiological factors
that control evaporation of leaf water. The transfer of leaf water
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O enrichment to
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Summary
plant organic matter was traced in water-soluble foliar organic matter and phloem sap
at different locations down the trunk. Leaf water δ18O showed strong diel periodicity,
while δ18O in atmospheric water vapour and xylem sap showed little variation.
Modelled leaf water δ18O showed good agreement with measured values when
applying a non-steady state evaporative enrichment model including a Péclet effect.
The time lags that were revealed between the δ18O signals from leaf water to watersoluble foliar organic matter and to phloem sap at different locations down the trunk
clearly demonstrated the relevance of considering these time-lag effects for carbon
transport, source-sink and carbon flux partitioning studies.
In chapter 5, we aimed at better understanding plant physiological controls
over the transfer time of recently assimilated carbon, from assimilation to respiration.
An array of Triticum aestivum plants covering a range of physiological statuses was
produced by growing them over a broad range of soil water content and nutrient
conditions, while all other environmental conditions were standardized. The plants
were pulse-chased with
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C-CO2 and the isotopic signatures of the CO2 respired by
leaves and soil were monitored for two days. Plant physiology, in particular leaf
conductance, was identified as a main driver of carbon residence time in this system,
and indicate the existence of a link between carbon residence time and plant carbon
sink strength. .
In chapter 6, a comparison of extraction methods for soluble sugars and
starch from plant material for subsequent δ13C analysis was undertaken. Indeed, it is
of crucial importance to determine the δ13C of newly assimilated carbon, as well as
measure the δ13C of the substrate for respiration. Artificial and real leaves were used
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Summary
to test the different methods. For starch, enzymatic hydrolysis gave better results than
acid hydrolysis, but still needs to be improved. For sugars, the comparison of
compound-specific approaches to analyze soluble sugars versus bulk sugar methods
revealed that the best method depends on the focus of the study (specificity or
accuracy), but that both methods suffer from drawbacks that might be overcome with
the development of high-performance liquid chromatography (HPLC) - isotope ratio
mass spectrometer (IRMS) systems.
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Résumé
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Résumé
La concentration croissante en dioxyde de carbone dans l’atmosphère et son impact
sur le climat terrestre rend crucial l’établissement du budget de carbone des plantes et
des écosystèmes, ainsi que la compréhension des principaux processus responsables
des échanges gazeux entre la biosphère et l’atmosphère. Étant donné que le ratio des
isotopes stables du carbone (13C/12C, exprimé sous la forme δ13C) est affecté par les
processus physiques, chimiques et métaboliques, il est utilisé pour évaluer les
contrôles biologiques et environnementaux des flux de carbone dans les écosystèmes,
et ainsi, les échanges carbonés entre végétation et atmosphère peuvent être estimés.
Bien que certains de ces contrôles aient été étudiés au cours de la dernière décennie,
les mécanismes régulant la réponse de la signature en
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C des composants des
écosystèmes (tissus végétaux, matière organique du sol et biomasse microbienne) et
des flux de CO2 respiré à ces contrôles restent largement méconnus.
Le but de cette thèse est de mieux comprendre les contrôles biologiques et
environnementaux des mécanismes sous-jacents aux changements du δ13C des
composants écosystémiques (δ13Cp) et du CO2 respiré (δ13CR) ; avec ses deux
principaux composants : le CO2 respiré par les feuilles (δ13CR-feuille) et le CO2 respiré
par le sol (δ13CR-sol). Une attention particulière est portée aux processus postphotosynthétiques.
Dans les chapitres 1 et 2, les contrôles biologiques exercés par le groupe
fonctionnel et l’ontogenèse des plantes sur les discriminations (Δ), discrimination
post-carboxylation (DPC) et discrimination respiratoire (DR) furent étudiés. En
conditions contrôlées, les paramètres écophysiologiques et le δ13C de la matière
organique des feuilles, du phloème et des racines, ainsi que du sol, de la biomasse
microbienne et du CO2 respiré par les feuilles et le sol furent mesurés chez sept
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Résumé
espèces herbacées et à trois stades ontogénétiques couvrant l’ensemble de leurs
existences (jeune, mature et âgé). Le groupe fonctionnel (GF) et l’ontogenèse altèrent
significativement Δ, mais les changements de Δ ne purent être expliqués par la
physiologie des plantes. Un fort effet du GF et de l’ontogenèse sur DPC et DR fut mis
en évidence pour la première fois chez des espèces herbacées. De plus, DPC était
étroitement lié à la conductance des feuilles et à l’assimilation. Ce résultat suggère
que DPC est causée par la régulation de la force des puits de carbone dans la plante.
Les changements de δ13C dus à l’ontogenèse furent d’une amplitude au moins
comparable à ceux causés pas les variables environnementales. Donc, l’ontogenèse
doit être considérée dans l’étude des écosystèmes et intégrée aux modèles de
circulation de carbone.
Dans le chapitre 3, les contrôles environnementaux et physiologiques des
changements temporels du δ13C du CO2 respiré furent étudiés. Étude menée dans un
peuplement de Pinus sylvestris, en suivant la dynamique journalière de la signature en
13
C dans l’écosystème, depuis la matière organique nouvellement assimilée dans les
aiguilles jusqu’au CO2 respiré par les troncs, le sol et l’écosystème, et via la matière
organique transportée par le phloème dans les tiges et le tronc. Des variations
journalières du δ13C furent observées dans la matière organique des feuilles et du
phloème dans les tiges. Cependant, ces variations journalières furent fortement
atténuées à mesure que les carbohydrates étaient transportés dans le tronc. La
périodicité du δ13C du CO2 respiré par le tronc semble résulter de DR. La périodicité
journalière du δ13C du CO2 respiré par le sol fut partiellement expliquée par la
température et l’humidité du sol et résultait probablement des changements de
contribution relative à l’efflux total de CO2 du sol des efflux autotrophique et
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Résumé
hétérotrophique en réponse aux conditions environnementales. Cette étude montre que
la relation directe entre δ13C des assimilas récents et du CO2 respiré peut ne pas
exister à l’échelle journalière, et que d’autres facteurs, tel DR, produisent les
variations à court terme du δ13C du CO2 émis par l’écosystème.
Dans le chapitre 4, pendant au chapitre précèdent, le ratio d’isotopes stable
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O/16O (δ18O) fut utilisé pour caractériser les facteurs environnementaux et
physiologiques qui contrôlent l’évaporation de l’eau des feuilles. Le transfert
d’enrichissement en
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O de l’eau fut suivi des feuilles jusqu’à la matière organique
des plantes, au travers de la matière organique hydrosoluble des feuilles et de la sève
élaborée mesurée à différents emplacements le long du tronc. Une forte périodicité
journalière fut observée dans le δ18O de l’eau des feuilles, tandis que le δ18O de la
vapeur d’eau atmosphérique et de la sève brute n’étaient sujets qu’à d’infimes
variations. Le δ18O modélisé de l’eau des feuilles était en accord avec les valeurs
mesurées quand un modèle d’enrichissement dynamique incluant l’effet Péclet fut
utilisé. Des délais dans le transfert du signal du δ18O de l’eau des feuilles à la matière
organique hydrosoluble des feuilles et à la sève élaborée mesurée à différents
emplacements le long du tronc furent observés. Ce qui démontre clairement l’intérêt
de considérer ces délais afin de mieux appréhender le transport du carbone, les
relations source puits de carbone et le partitionnement des flux de carbone.
.
Dans le chapitre 5, notre but était d’obtenir une meilleure compréhension des
contrôles physiologiques des plantes sur le temps de transfert du carbone récemment
assimilé, depuis son assimilation jusqu'à sa respiration. Un ensemble de plants de
Triticum aestivum couvrant une gamme de statuts physiologiques fut créé en les
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Résumé
faisant pousser sur une vaste gamme de conditions de teneur en eau du sol et de
ressource azotée, cependant que les autres conditions environnementales étaient
standardisées. Les plantes furent soumises à un marquage avec du
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C-CO2 et la
signature isotopique du CO2 respiré par les feuilles et le sol fut mesurée pendant deux
jours. La physiologie des plantes, en particulier la conductance stomatique, fut
identifiée comme étant l’un des principaux contrôles du temps de résidence du
carbone dans le système, et indique l’existence d’un lien entre temps de résidence du
carbone et forces de puits de carbone dans la plante.
Dans le chapitre 6, une comparaison des méthodes d’extraction des sucres
solubles et de l’amidon à partir de tissus végétaux, en vue de l’analyse de leur δ13C fut
menée. En effet, il est crucial de déterminer le δ13C du carbone nouvellement assimilé,
ainsi que le δ13C des substrats pour la respiration. Les différentes méthodes furent
testées sur des feuilles artificielles et réelles. Pour l’amidon, l’hydrolyse enzymatique
donna de meilleurs résultats que l’hydrolyse acide, mais nécessite d’être améliorée.
Pour les sucres, la comparaison des méthodes pour analyser l’ensemble des sucres ou
chacun d’entre eux révèle que la meilleure méthode dépend de l’objectif recherché
(précision ou spécificité), mais ces deux méthodes souffrent de défauts qui peuvent
peut-être être résolus avec le développement des systèmes de chromatographie en
phase liquide à haute performance (HPLC) couplé à un spectromètre de masse
(IRMS).
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