Real-time quantification of oxygen isotope exchange between carbon dioxide and leaf/soil water in terrestrial ecosystems with laser-based spectroscopy

Abstract

The oxygen isotope ratio of atmospheric carbon dioxide (δ¹⁸O-CO₂) can be used to partition the gross fluxes of CO₂ in terrestrial ecosystems, such as soil respiration and plant assimilation, as a characteristic δ¹⁸O value is transferred to CO₂ during isotopic equilibration with different water pools. The aim of the present study was to elucidate the ¹⁸O-exchange between CO₂ and leaf/soil water under controlled laboratory conditions and at a high temporal resolution. For this purpose, δ¹⁸O of CO₂ and water vapor were measured online using infrared laser spectroscopy in plant chamber experiments with spruce, wheat, poplar and maize, as well as soil column experiments, which included the use of gas-permeable tubing. Finally, the biophysical soil–vegetation–atmosphere model MuSICA was applied to simulate the ¹⁸O-exchange at the ecosystem level and to test whether a value for the degree of isotopic equilibrium (θ) obtained from plant chamber experiments was suitable for model parameterization.<br /> The sensitivity of the ¹⁸O-exchange to short-term changes in environmental conditions was studied by exposing the plants to increased air temperature (35°C vs. 25°C) and limited soil water availability, and the soil column to varying soil water content (SWC). The CO¹⁸O isoforcing (CO¹⁸O-Iso) at the plant-chamber level, i.e., the product of the net CO₂ flux through the chamber and the δ¹⁸O-CO₂ of this flux obtained from differential measurements at the plant chamber inlet and outlet, was used as a measure for the plants’ impact on ambient δ¹⁸O-CO₂. CO¹⁸O-Iso decreased in response to elevated air temperature due to the reduction of stomatal conductance (g_s) in all plant species except for maize, and in response to water availability in all four plant species due to a reduction of θ, assimilation rate (A_r) and g_s, while leaf water became progressively ¹⁸O-enriched. Almost 100% of the temporal variations in CO¹⁸O-Iso could be explained by the combination of θ, g_s, A_r and δ¹⁸O of leaf water (δ¹⁸O_ev). The experimentally determined θ was considerably lower than reported in previous studies for the respective plant species, with values of 0.51 and 0.53 in maize and spruce, and 0.67 and 0.74 in wheat and poplar, respectively, and was highly sensitive to the parameterization of mesophyll conductance (g_m). In the soil column, an incomplete CO₂–H₂O isotopic equilibrium was observed, most likely due to the low SWC, which yielded a low isotopic equilibration reaction rate (k_e) as indicated by model simulations. Irrigation of the soil column with tap water clearly influenced the δ¹⁸O of soil water (δ¹⁸O_sw) in the drenched soil depths. However, the δ¹⁸O of soil CO₂ (δ¹⁸O_sc) was only influenced at the top 3 cm, when the enzyme carbonic anhydrase (CA) was added to the irrigation water. This is an important finding, as, for the first time, the effect of CA activity in soils on the ¹⁸O exchange between CO₂ and soil water was shown experimentally. Model simulations of δ¹⁸O-CO₂ in a Norway spruce forest with MuSICA revealed that θ = 0.53, derived from isotopic gas exchange measurements, significantly improved simulations of canopy δ¹⁸O-CO₂ compared with θ = 1 and indicated a temporally variable θ should be implemented in the model.<br /> The present study highlights the need to i) consider the temporal variations in the oxygen isotope exchange between CO₂ and H₂O as well as between soil, plants and the atmosphere, which are induced by changes in environmental conditions, and ii) take into account potentially lower <em>θ</em> estimates. In addition, a promising method to measure δ¹⁸O_sc and δ¹⁸O_sww quasi simultaneously in situ with high temporal resolution was presented. The gained information and novel tools presented in this study have the potential to improve our understanding of the atmospheric δ¹⁸O-CO₂ budget.

Echtzeit-Quantifizierung des Sauerstoffisotopenaustausches zwischen Kohlenstoffdioxid und Blatt-/Bodenwasser in terrestrischen Ökosystemen mittels Laser-basierter Spektroskopie<br /> Das Verhältnis der stabilen Sauerstoffisotope ¹⁸O/16O im atmosphärischen Kohlenstoffdioxid (δ¹⁸O-CO₂) kann genutzt werden, um in terrestrischen Ökosystemen photosynthetische und respiratorische Einzelflüsse zu quantifizieren. Dies ist möglich, da bei Kontakt mit Wasseroberflächen im Blatt und in natürlichen Böden das sehr (orts-)spezifische Sauerstoffisotopenverhältnis des Wassers (δ¹⁸O-H₂O) auf die CO₂-Moleküle übertragen wird. In der vorliegenden Arbeit wurde der ¹⁸O-Austausch zwischen CO₂ und Blatt- bzw. Bodenwasser bei sehr hoher Zeitauflösung mittels Laser-basierter Spektroskopie gemessen, zum einen in Pflanzenkammerexperimenten mit Fichte, Weizen, Pappel und Mais, und zum anderen in Sandsäulenexperimenten unter Anwendung von gasdurchlässigen Schläuchen. Der Einfluss der Pflanzen auf das δ¹⁸O-CO₂ in der Pflanzenkammer, das sogenannte CO¹⁸O isoforcing (CO¹⁸O-Iso), nahm sowohl bei Erhöhung der Lufttemperatur (von 25 °C auf 35 °C) ab (bei allen Pflanzenarten außer Mais), einhergehend mit einer Verminderung der stomatären Leitfähigkeit (g_s), als auch mit zunehmender Wasserknappheit (bei allen Pflanzenarten), simultan mit einer Abnahme des isotopischen Gleichgewichts zwischen CO₂ und Blattwasser (θ), der Assimilationsrate (A_r) und g_s, während sich gleichzeitig das Blattwasser mit ¹⁸O anreicherte. Die zeitlichen Veränderungen des CO¹⁸O-Iso konnten fast vollständig durch die kombinierten Variationen von θ, g_s, A_r und δ¹⁸O des Blattwassers (δ¹⁸O_ev) erklärt werden. Das experimentell bestimmte θ lag mit 0.51 und 0.53 für Mais bzw. Fichte, sowie 0.67 und 0.74 für Weizen bzw. Pappel unter den entsprechenden Literaturwerten für diese Pflanzenarten und zeigte eine Abhängigkeit von der angenommenen Mesophyllleitfähigkeit (g_m).<br /> In der Sandsäule waren CO₂ und H₂O ebenfalls nicht im isotopischen Gleichgewicht, ein Zustand, der durch die geringe Bodenfeuchte und, wie in Modellsimulationen angedeutet, die damit verbundene Abnahme der Gleichgewichtsreaktionsrate (k_e) des Sauerstoffisotopenaustauschs zwischen CO₂ und H₂O hervorgerufen wurde. Die Bewässerung der Sandsäule mit Leitungswasser veränderte das Sauerstoffisotopenverhältnis im Bodenwasser (δ¹⁸O_sw), wirkte sich jedoch erst nach Zugabe des Enzyms Carboanhydrase (CA) auch auf das Sauerstoffisotopenverhältnis im CO₂ (δ¹⁸O_sc) aus. Zusätzlich erhöhte die Zugabe von CA auch den Einstellungsgrad des ¹⁸O-Gleichgewichts zwischen CO₂ und Bodenwasser. Der enzymatische Effekt der CA in Böden konnte somit erstmals experimentell nachgewiesen werden.<br /> Simulationen des δ¹⁸O-CO₂ in einem Fichtenwald mit dem Ökosystem-Modell MuSICA zeigten, dass eine Parametrisierung mit θ = 0.53, dem für Fichten in den Pflanzenkammerexperimenten dieser Arbeit ermittelten Wert, zu einer Verbesserung der Simulationsergebnisse für δ¹⁸O-CO₂ im Fichtenbestand führte und dass die Implementierung eines zeitlich variabel anzupassenden <em>θ</em> sinnvoll wäre.<br /> Die vorliegende Arbeit zeigt, dass der ¹⁸O-Austausch zwischen CO₂ und H₂O sowie zwischen Boden, Vegetation und Atmosphäre, bedingt durch den Einfluss der Umweltbedingungen, ein dynamischer Prozess ist und dass <em>θ</em> tendenziell geringer sein könnte als bisher angenommen. Zudem wurde eine neue, vielversprechende Methode entwickelt, die zukünftig<em> in situ</em>-Messungen von δ¹⁸Osw und δ¹⁸O_sc in hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung ermöglicht. Die neu gewonnenen Kenntnisse und Methoden dieser Arbeit werden folglich zu einem erweiterten Verständnis des atmosphärischen δ¹⁸O-CO₂-Budgets beitragen.