Free-air CO2 enrichment in a wheat-weed assembly – effects on water relations

In a three-year free-air CO2 enrichment study (Mini-FACE), spring wheat associated with typical arable weeds were grown under present and elevated atmospheric carbon dioxide concentrations [CO2] (ambient air+150 μmol mol−1). Analyses of plant stable carbon isotope ratios and in vivo measurements of leaf gas exchange were used to describe the CO2 effects on water relations. For most species examined elevated [CO2] significantly increased the intrinsic water-use efficiency (A/gs) as derived from carbon isotope analyses. In some of the species, seasonal averages of the ratio between leaf internal to atmospheric CO2 (ci/ca) were found to be significantly reduced by elevated [CO2]. Periodic leaf gas exchange measurements confirmed the increased water-use efficiency, but significant CO2 effects became evident only over the entire season by carbon isotope analysis. In both types of analysis conducted, spring wheat was found to react significantly different from all other species examined. The relation between A/gs and biomass production was significantly influenced by elevated [CO2] in all three years of the study. At the end of the drier growing seasons 2003 and 2004, the soil water content tended to be increased in the CO2 enriched plots indicating a water saving effect. These observations demonstrate the impact of elevated [CO2] on plant water relations with a likely positive feedback leading to higher soil water availability. Due to the differences in the CO2 responses of spring wheat compared to the weeds we suggest that rising [CO2] may cause shifts in the species composition of crop-weed communities.

ZusammenfassungIn einer dreijährigen Studie wurde Sommerweizen in Kombination mit typischen Ackerwildkräutern unter einer Freiland-CO2-Anreicherung (Mini-FACE) mit heutigen und erhöhten CO2-Konzentrationen angebaut (aktuelle Konzentration+150 μmol mol−1). Als Wirkungskriterien für CO2-Effekte wurden die Verteilung stabiler Kohlenstoff-Isotope und der in vivo Blattgaswechsel analysiert. Erhöhte CO2-Konzentrationen führten bei den meisten Arten zu signifikanten Steigerungen der spezifischen Wassernutzungs-Effizienz (A/gs), die aus der Verteilung stabiler Kohlenstoff-Isotope abgeleitet wurde. Die Saison-Mittelwerte des Verhältnisses von blattinterner zu atmosphärischer CO2-Konzentration (ci/ca) zeigten bei einigen Arten signifikante Abnahmen unter erhöhten CO2-Konzentrationen. Die Ergebnisse der Blattgaswechselmessungen bestätigten die erhöhten Wassernutzungs-Effizienzen, signifikante CO2-Effekte konnten aber erst bei Betrachtung der gesamten Vegetationsperioden mittels Kohlenstoff-Isotop-Analytik belegt werden. Für alle Ergebnisse aus den beiden Messreihen konnte gezeigt werden, dass der Sommerweizen signifikant anders reagierte als die übrigen untersuchten Arten. Für alle drei Versuchsjahre wurden signifikante CO2-Effekte auf das Verhältnis zwischen A/gs und der Biomasse der Arten beobachtet. Am Ende der trockeneren Vegetationsperioden 2003 und 2004 war der Bodenwassergehalt auf den Versuchsflächen mit CO2-Anreicherung tendenziell höher, was auf einen Wassereinspar-Effekt hindeutet. Die vorliegenden Ergebnisse belegen den Einfluss erhöhter CO2-Konzentrationen auf den pflanzlichen Wasserhaushalt und zeigen eine positive Rückkopplung, mit einer erhöhten Verfügbarkeit von Bodenwasser. Aufgrund der Unterschiede in den CO2-Reaktionen von Sommerweizen und Ackerwildkräutern ist davon auszugehen, dass die ansteigenden CO2-Konzentrationen zu Artenverschiebungen zwischen Nutzpflanzen und Ackerwildkräutern führen.