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Zur Bedeutung von Stickstoff für den CO2-Düngeeffekt

Kattge, Jens


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Universität Justus-Liebig-Universität Gießen
Institut: Institut für Pflanzenökologie
Fachgebiet: Biologie
DDC-Sachgruppe: Biowissenschaften, Biologie
Dokumentart: Dissertation
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 02.07.2002
Erstellungsjahr: 2002
Publikationsdatum: 21.08.2002
Kurzfassung auf Deutsch: Für die Prognose des CO2-Düngeeffektes werden in zunehmendem Maße Modelle genutzt, die das Pflanzenwachstum auf der Basis
wesentlicher Prozesse aus dem Kohlenstoff- und Stickstoffhaushalt der Pflanzen berechnen: Aufnahme von Stickstoff, Allokation von
Stickstoff und Kohlenstoff, Photosynthese, Respiration und Regulation der Stomatakonduktanz. Im Rahmen dieser Arbeit habe ich
untersucht, in wie weit sich eine Reaktion dieser Prozesse auf erhöhte CO2-Konzentrationen durch den Einfluß der CO2-Konzentrationen
auf den Stickstoffstatus der Pflanzen erklären läßt.


In einem ersten Experiment wurden zweijährige Bäume der Arten Acacia melanoxylon, Acacia dealbata, Eucalyptus debeuzevillei,
Eucalyptus niphophila, Eucalyptus pauciflora, Quercus ilex, Quercus robur, Fagus sylvatica, Alnus glutinosa, Pinus sylvestris, Picea
abies und Pseudotsuga menziesii über mehrere Monate in Klimakammern bei CO2-Konzentrationen von 380ppmV (aktuell) bzw.
1000ppmV (erhöht) exponiert. Daneben wurden Keimlinge von Chenopodium album für fünf Wochen in einem FACE-System bei
CO2-Konzentrationen von 400 bzw. 510ppmV exponiert. Die Mineralstoffversorgung erfolgte über tägliches Gießen mit Nährlösung, die
Stickstoff in folgenden Konzentrationen enthielt: 0, 1, 5 und 25mmol l-1.


Zu Beginn und am Ende der Exposition wurden Trockengewicht und Stickstoffkonzentration von Sproß, Blatt, Wurzel und Feinwurzeln
bestimmt. Hieraus wurden Aufnahmeraten für Stickstoff und die Allokation von Stickstoff und Kohlenstoff berechnet. Während der
Expositi-on wurden Gaswechselmessungen an Blättern zur Bestimmung von Stomatakonduktanz, Photosynthese und Respiration
durchgeführt. Der Stickstoffstatus der Pflanzen wurde anhand der Konzentrationen an Kohlenhydraten und Stickstoff in Blättern und den
gesamten Pflanzen charakterisiert.


Pflanzen, die unter erhöhten CO2-Konzentration gewachsen waren, wiesen gegenüber Pflanzen aus aktueller CO2-Konzentration höhere
Konzentrationen an löslichen Kohlenhydraten und Stärke auf, während die Konzentration an Stickstoff verringert war. Dies wurde als
deutliche Verschiebung des Stickstoffstatus zugunsten des Kohlenstoffhaushaltes interpretiert.


Gleichzeitig erreichten Pflanzen aus erhöhtem CO2 ein höheres Trockengewicht und enthielten mehr Stickstoff. Die Steigerung des
Trockengewichtes war dabei in etwa proportional zur Zunahme der Stickstoffmenge. Die deutlichste Steigerung wiesen Pflanzen aus
mittleren Düngestufen auf. Abgesehen von vollständig stickstofffreier Nährlösung, wurde eine generelle Limitation des CO2-Düngeeffektes
durch ein geringes Stickstoff-Angebot nicht beobachtet.


Alle untersuchten Prozesse wurden durch den Stickstoffstatus der Pflanzen beeinflußt. Für Photosynthese und Respiration war die
Abhängigkeit vom Stickstoffstatus artübergreifend. Der Einfluß des Stickstoffstatus auf die Aufnahme von Stickstoff, Allokation von
Kohlenstoff und Stickstoff und Regulation der Stomatakonduktanz wies neben artübergreifenden Gemeinsamkeiten deutlich arttypische
Muster auf.


Mit Ausnahme der Respiration war der Einfluß des Stickstoffstatus auf die Prozesse unabhängig davon, ob der Stickstoffstatus durch
unterschiedliche Düngung oder verschiedene CO2-Konzentrationen der Atmosphäre variiert wurde. Die Auswirkungen der erhöhten
CO2-Konzentration auf die untersuchten Prozesse konnten daher im wesentlichen durch den Einfluß der erhöhten CO2-Konzentration auf
den Stickstoffstatus der Pflanzen erklärt werden.


Der Einfluß der erhöhten CO2-Konzentrationen auf den Stickstoffstatus der Pflanzen hatte zur Folge, daß Stickstoff vorzugsweise in die
Stickstoffaufnahme und weniger in die Kohlenstoffassimilation investiert wurde. Dies hatte enorme Folgen für das Pflanzenwachstum, da
die Steigerung des Trockengewichtes durch erhöhtes CO2 in etwa proportional zur zusätzlichen Stickstoffaufnahme der Pflanzen war.


Da der Stickstoffstatus alle untersuchten Prozesse beeinflußte, sollten prozeßorientierte Modelle zur Prognose des CO2-Düngeeffektes
den Einfluß einer erhöhten CO2-Konzentration auf den Stickstoffstatus berücksichtigen. Sofern diese Modelle den Stickstoffstatus der
Pflanzen berücksichtigen, scheint, mit Ausnahme der Respiration, die Para-meterisierung anhand von Pflanzen aus aktueller
CO2-Konzentration angemessen um das Verhalten der Pflanzen in erhöhter CO2-Konzentration zu berechnen.

Kurzfassung auf Englisch: Models predicting the CO2 fertilization effect are often based on essential processes of plant carbon and nitrogen budget. The reaction of
these processes to elevated concentrations of CO2 might be explained by the influence of elevated CO2 on the nitrogen status of the plants.
Regarding this hypothesis the following processes were examined: uptake of nitrogen, allocation of nitrogen and carbon, regulation of
stomatal conductance, photosynthesis and respiration.


In a first experiment two year old trees of 12 species (Acacia melanoxylon, Acacia dealbata, Eucalyptus debeuzevillei, Eucalyptus
niphophila, Eucalyptus pauciflora, Quercus ilex, Quercus robur, Fagus sylvatica, Alnus glutinosa, Pinus sylvestris, Picea abies and
Pseudotsuga menziesii) were exposed for several months in climate chambers to actual (380ppm) and elevated (1000ppm) CO2
concentrations. In a second experiment sprouts of Chenopodium album were exposed for five weeks on a FACE system to CO2
concentrations of 400ppm and 510ppm. Plants were watered daily with nutrient solution containing the following nitrogen concentrations: 0,
1, 5 and 25mmol l-1.


At the start and end of the exposition periods dry weight, carbon and nitrogen concentration of shoot, leaves, roots and fine roots were
measured to calculate nitrogen uptake and allocation of nitrogen and carbon. During the exposition gas exchange measurements were
carried out to calculate photosynthesis, respiration and the regulation of stomatal conductance. The concentrations of carbohydrates and
nitrogen in leaves and whole plants were used to characterize the plant nitrogen status.


Plants grown under elevated CO2 contained higher concentrations of soluble carbohydrates and starch, while their nitrogen concentration
was lower. This was interpreted as a shift of the nitrogen status towards the carbon budget.


At the same time they achieved higher dry mass and contained more nitrogen. The increase of dry mass was almost proportional to the
increase of nitrogen content, with the strongest increase in plants with intermediate nitrogen nutrition. A general limitation of the CO2
nutrition effect by low nitrogen nutrition was not observed, with the exception of nitrogen-free nutrient solution.


All investigated processes depended on the nitrogen status of the plants. The dependence of photosynthesis and respiration was almost
equal among different species; nitrogen uptake, allocation and regulation of stomatal conductance were highly specific for different
species.


With the exception of respiration, the interrelation of processes and nitrogen status was independent of the way the nitrogen status was
varied: either by different nitrogen nutrition or CO2 concentration. So the influence of elevated CO2 on the processes could be explained by
the influence of elevated CO2 on the nitrogen status.


The influence of elevated CO2 on the nitrogen status lead to enhanced nitrogen investment to processes involved in nitrogen uptake and
assimilation and less investment to processes involved in carbon assimilation. This influence of high CO2 on the nitrogen budget was
important for the CO2 fertilization effect, because the CO2 fertilization effect was almost proportional to the increase of nitrogen uptake.


Process-based models to predict the CO2 fertilization effect should consider the influence of elevated CO2 on the nitrogen status, because
all investigated processes depended on the nitrogen status of the plants. With the exception of respiration, it is concluded that the current
models are adequate to model plant growth in elevated CO2, if they consider the influence of elevated CO2 on the nitrogen status.