Project

Back to overview

Coupling of the canopy and the root system through carbon and nitrogen dynamics in tropical trees

English title Coupling of the canopy and the root system through carbon and nitrogen dynamics in tropical trees
Applicant Buchmann Nina
Number 149955
Funding scheme Project funding (Div. I-III)
Research institution Departement Umweltsystemwissenschaften ETH Zürich
Institution of higher education ETH Zurich - ETHZ
Main discipline Botany
Start/End 01.04.2014 - 31.03.2017
Approved amount 346'126.00
Show all

All Disciplines (2)

Discipline
Botany
Ecology

Keywords (6)

aeroponics; canopy and root systems; sink-source relationships; carbon and nitrogen cycling; tropical trees; stable isotopes

Lay Summary (German)

Lead
Die grossen Kohlenstoff (C)-Senken in Wäldern sind das Resultat zweier grosser, gegensätzlicher CO2-Flüsse: der CO2-Aufnahme durch die Photosynthese und der CO2-Verluste durch die Atmung. Obwohl Baumwurzeln erheblich zur Ökosystematmung beitragen, sind die Grössenordnung und der Einfluss der Umwelt auf diese CO2-Verluste kaum bekannt. Um diese Wissenslücke zu schliessen, werden wir eine weltweit einzigartige Infrastruktur nutzen, die uns Zugang zum Wurzelsystem von Bäumen bietet.
Lay summary

Der fehlende Zugang zum Wurzelsystem ist einer der Gründe, warum wir wenig über die unterirdischen CO2-Verluste wissen. Um dieses Dilemma zu lösen, werden wir unsere Versuche im Sarah Racine Root Research Laboratory der Tel Aviv Universität durchführen, wo Bäume bis zu 4 m Höhe mit Wurzelsystemen bis zu 6 m Länge untersucht werden können. In unserem Projekt werden wir  (1) die Mechanismen untersuchen, wie der Kronenraum und das Wurzelsystem von tropischen Bäumen miteinander gekoppelt sind; (2) die gegenseitigen Einflüsse von Kronenraum und Wurzelsystem aufeinander studieren; (3) die C-Bilanz und die C-Verlagerung in den Wurzelraum quantifizieren; und (4) auch die Wechselwirkungen mit dem Stickstoff-Haushalt betrachten. Wir werden kontinuierlich die CO2-Flüsse messen, aber auch Manipulationsexperimente durchführen. Um die C- und die N-Aufnahmen im Gesamtsystem zu verfolgen, werden wir in Tracer-Versuchen die Vorteile von stabilen Isotopen (13C und 15N) nutzen.

Unsere Forschung wird so einen grossen Beitrag leisten können, die Mechanismen der Koppelung vom Kronenraum und dem Wurzelsystem besser zu erkennen. Die Ergebnisse werden darüber hinaus dazu beitragen, den C-Haushalt von tropischen Bäumen besser zu verstehen. Solche Informationen sind wichtig, um die Stoffkreisläufe in tropischen Wäldern zu modellieren und ihre Reaktion auf zukünftige Umweltänderungen vorhersagen zu können.

Direct link to Lay Summary Last update: 25.09.2013

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Publications

Publication
Measurement precision and accuracy of high artificial enrichment 15 N and 13 C tracer samples
Mannerheim Neringa, Werner Roland A., Buchmann Nina (2019), Measurement precision and accuracy of high artificial enrichment 15 N and 13 C tracer samples, in Rapid Communications in Mass Spectrometry, 33(13), 1153-1163.
Genotypic variability enhances the reproducibility of an ecological study
Milcu Alexandru, Puga-Freitas Ruben, Ellison Aaron M., Blouin Manuel, Scheu Stefan, Freschet Grégoire T., Rose Laura, Barot Sebastien, Cesarz Simone, Eisenhauer Nico, Girin Thomas, Assandri Davide, Bonkowski Michael, Buchmann Nina, Butenschoen Olaf, Devidal Sebastien, Gleixner Gerd, Gessler Arthur, Gigon Agnès, Greiner Anna, Grignani Carlo, Hansart Amandine, Kayler Zachary, Lange Markus, et al. (2018), Genotypic variability enhances the reproducibility of an ecological study, in Nature Ecology & Evolution, 2(2), 279-287.

Collaboration

Group / person Country
Types of collaboration
Dr. José Marc Grünzweig, Hebrew University of Jerusalem Israel (Asia)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
- Publication
- Research Infrastructure
- Exchange of personnel

Scientific events

Active participation

Title Type of contribution Title of article or contribution Date Place Persons involved
Biology17 Poster Extreme sink/source manipulation experiment carried out in the large scale aeroponic system on the tropical tree Ceiba pendrandra 02.02.2017 Bern, Switzerland Buchmann Nina; Mannerheim Neringa;
14th Swiss Geoscience Meeting Poster Short-term carbon allocation within the root system of the tropical tree species Ceiba pentandra 18.11.2016 Genf, Switzerland Mannerheim Neringa; Buchmann Nina;
Summer School "Stable Isotopes in Forest Ecosystem Research" Poster Coupling of the canopy and the root system through carbon and nitrogen dynamics in tropical trees 25.04.2016 Nancy, France Mannerheim Neringa;
PhD Symposium Talk given at a conference Coupling of the canopy and the root system through carbon and nitrogen dynamics in tropical trees 09.09.2014 Einsiedeln, Switzerland Mannerheim Neringa;


Abstract

Significant carbon sinks of tropical forests are the balance between large photosynthetic uptake rates of tree canopies and ecosystem respiration, releasing CO2 back to the atmosphere. Tree roots contribute greatly to this respiratory flux, but the extent of total root respiration and its regulation by either the environment and/or allocation of photoassimilates from the tree canopy belowground are still largely unknown. This knowledge gap is mainly a result of the inaccessibility of the complex root system of trees. This project will (1) investigate the mechanisms underlying the coupling between canopy and root system in tropical trees; (2) assess the impact of source strength (canopy) on sink activity (root system) and vice versa; (3) quantify the net tree carbon balance and belowground carbon allocation; and (4) identify the coupling of carbon and nitrogen cycles. We will use a globally unique aeroponic system that can host trees with a 4m high shoot and >6m deep, fully accessible root system. Total shoot CO2 and total root-system respiration fluxes of large tropical tree saplings will be measured simultaneously under various environmental conditions (manipulation experiments). In addition, dual labeling of trees with stable, non-radioactive carbon (via CO2) and nitrogen (via mineral nitrogen) isotopes will be applied to address the coupling of carbon and nitrogen dynamics in tropical trees. This research will provide the unique opportunity to better understand the underlying mechanisms of canopy-root coupling and the consequences for the carbon cycle in tropical trees. It will enable us to directly access and manipulate the root system and therefore address the role of the root system in the carbon and nitrogen cycle of trees in general and of tropical trees in particular. Such information is crucial for accurately predicting the coupled biogeochemical cycles in tropical forests as well as their feedbacks in regional and global biogeochemical models under scenarios of future climate change.
-