Die Bedeutung der 18O-Isotopensignatur von Zellulose für das Verständnis der Wassernutzungseffizienz von Grasland: Belege aus Experimenten, Beobachtungsreihen und prozess-basierter Modellierung

• Antragsteller: Professor Dr. Johannes Schnyder
• Fachliche Zuordnung: Pflanzenbau, Pflanzenernährung, Agrartechnik
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 325594426

Die intrinsische Wassernutzungseffizienz (iWUE) des gemässigten Graslandes hat im letzten Jahrhundert stark zugenommen. Unbekannt ist, ob dieses Phänomen auf einer verstärkten Assimilationsleistung der Blätter oder einer verminderten stomatären Leitfähigkeit beruht. Dieses Defizit begründet eine wesentliche Unsicherheit hinsichtlich der Auswirkungen des Klimawandels auf Kohlenstoff- und Wasserflüsse in gemässigten Graslandsystemen. Im Projekt soll ergründet werden, inwiefern die Sauerstoffisotopenzusammensetzung der Zellulose (18O in Zellulose) zuverlässige Rückschlüsse auf die stomatäre Leitfähigkeit gestattet. Der mechanistische Zusammenhang zwischen der stomatären Leitfähigkeit und 18O in Zellulose ist komplex und stark vom Wasserdampfsättigungsdefizit der Luft (VPD) und morpho-physiologischen Vegetationsparametern abhängig. Die Projektziele sollen durch eine Kombination von Experimenten, Simulationsstudien mit einem "isotopen-fähigen" Boden-Vegetation-Atmosphäre-Modell (MuSICA), und Vergleichen von Modellprognosen und empirischen Daten erreicht werden. Im Experiment werden die direkten und indirekten Auswirkungen der CO2 Konzentration (200, 400 und 800 micromol mol-1) und VPD (0.47 and 1.17 kPa) auf die stomatären Leitfähigkeit, 18O in Zellulose, sowie die WUE auf Blatt- und Bestandesskala mit Lolium perenne untersucht. Darüber hinaus werden Schlüsselparameter, welche das 18O Signal in der Zellulose der Grasblätter bestimmen, erfasst. Diese inkludieren die 18O Anreicherung im Blattwasser und in der Wachstums- und Differenzierungszone der Blätter, und die 18O Signatur der Sacharose in den beiden Kompartimenten. In den Simulationsstudien werden die stomatäre Leitfähigkeit und 18O in Zellulose prognostiziert, sowie das 18O Signal von seinen Quellen (Niederschlagswasser und atmosphärische Feuchte), durch den Boden, das Xylem und das Blattwasser bis zu den Photosyntheseprodukten und in die Zellulose verfolgt. Die Modellprognosen werden mit empirischen Ergebnissen (i) detaillierter Datensätzen der tageszeitlichen, saisonalen und multiannuellen Variation der Isotopenzusammensetzung (18O, 2H) von Boden-, Stengel- und Blattwasser, sowie der 18O Signatur der Zellulose und iWUE gemässigter Graslandökosysteme auf der Grünschwaige (Freising), (ii) der experimentellen Studien, sowie (iii) der jahrhundertlangen Zeitreihen des 18O in Zellulose und iWUE einer Vielzahl unterschiedlicher Graslandökosysteme im Park Grass Experiment in Rothamsted/England verglichen. Zudem untersuchen wir Zusammenhänge zwischen kodominanten Pflanzenarten, funktionellen Gruppen (Gräser, Kräuter, Leguminosen) und 18O in Zellulose in einem langjährigen Grünlandbewirtschaftungsversuch. Wir erwarten von den Untersuchungen ein grundlegend verbessertes Verständnis davon wie Umwelt- und Pflanzenparameter die 18O Signatur der Zellulose modifizieren, und wie der der rezente Klimawandel Kohlenstoff- und Wasserflüsse in gemässigten Graslandsystemen verändert hat.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen