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Development of a diagnostic stable isotope tool to elucidate the drought response of trees

Applicant Saurer Matthias
Number 182092
Funding scheme Project funding (Div. I-III)
Research institution Swiss Federal Research Inst. WSL Direktion
Institution of higher education Swiss Federal Institute for Forest, Snow and Landscape Research - WSL
Main discipline Other disciplines of Environmental Sciences
Start/End 01.05.2019 - 30.04.2022
Approved amount 365'140.00
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All Disciplines (3)

Discipline
Other disciplines of Environmental Sciences
Climatology. Atmospherical Chemistry, Aeronomy
Environmental Research

Keywords (5)

drought; climate change; tree mortality; tree-rings; stable isotopes

Lay Summary (German)

Lead
Trockenheit wirkt sich immer mehr auf Waldökosysteme weltweit aus, was zu reduziertem Baumwachstum, erhöhter Sterblichkeit oder Verschiebungen in der Artenverteilung führen kann. Für die Zukunft werden weiter steigende Temperaturen in Kombination mit Trockenheit erwartet, was dies zu einer Herausforderung für die kommenden Jahrzehnte macht.
Lay summary

Die physiologischen Mechanismen der Trockenheitsresistenz und des Baumwachstums sind zwar viel untersucht worden, aber unvollständig verstanden, insbesondere bei älteren Bäumen, die unter natürlichen Bedingungen wachsen. Eine der vielversprechendsten Methoden, um die Ursachen von Wachstumsschwankungen und Baumrückgang besser zu verstehen, ist die Analyse von Jahrringmustern in Kombination mit der Analyse von Isotopenschwankungen innerhalb der Ringe. Die stabilen Isotope von Kohlenstoff (d13C), Sauerstoff (d18O) und Wasserstoff (d2H) sind unterschiedlich und empfindlich mit pflanzenphysiologischen Prozessen verknüpft, sowohl auf Blatt- als auch auf Stammniveau. Während Kohlenstoff- und Sauerstoffisotope oft rückwirkend auf relative Veränderungen der Photosynthese und der Transpiration zurückgeführt wurden, z.B. zur Identifizierung unterschiedlicher Wassernutzungs-Strategien der Bäume, wurden Wasserstoffisotopenverhältnisse in diesem Zusammenhang selten angewendet, hauptsächlich aufgrund methodischer Probleme. Jüngste Fortschritte in der Analyse und im mechanistischen Verständnis machen Wasserstoffisotope jedoch zu einem vielversprechenden Kandidaten in Trockenheitsstudien, da das Verhältnis von autotrophen zu heterotrophen Prozessen als wichtiger Treiber für die Variationen identifiziert wurde, insbesondere bei einer begrenzten Kohlenhydratversorgung. Wasserstoffisotope haben daher ein enormes Potenzial als Indikator für die Reservennutzung im Vergleich zur Verwendung von frischen Assimilaten und können dazu beitragen, die Bedeutung der Kohlenstofflimitierung für den Baumrückgang besser einzuschätzen. In diesem Projekt wollen wir deshalb einen Triple-Isotopen-Ansatz zur retrospektiven Analyse physiologischer Trockenheitsreaktionen von Bäumen anwenden und die Ergebnisse in einem theoretischen Konzept formalisieren. Die Ergebnisse sollen ein neuartiges Diagnosewerkzeug für die Analyse der Ursachen für den Baumrückgang liefern, was auch für die Bewertung des zukünftigen Anpassungspotenzials der Wälder an Dürren hilfreich sein wird.

Direct link to Lay Summary Last update: 14.03.2019

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Name Institute

Project partner

Associated projects

Number Title Start Funding scheme
189724 High-resolution stable isotope analysis for tracing environmen-tal changes - HIRES 01.01.2020 R'EQUIP
166162 Compound-specific dual isotope analysis for the investigation of plant response to environmental change 01.08.2016 Project funding (Div. I-III)

Abstract

Drought conditions are more and more affecting forest ecosystems worldwide, resulting in reduced tree growth, increased mortality or shifts in species distribution. Further increasing temperatures in combination with high atmospheric moisture demand are expected for the future and make this a challenge for the coming decades. The physiological mechanisms of drought resistance or tree decline, although widely studied, are, however, incompletely resolved, particularly for adult trees growing under natural conditions. One of the most promising methods to better understand causes of growth variations and tree decline is the analysis of tree-ring patterns, in combination with the analysis of stable isotope variations within the rings. The stable isotopes of carbon (d13C), oxygen (d18O) and hydrogen (d2H) are each differently and sensitively related to plant physiological processes, both at the leaf and stem level. While carbon and oxygen isotopes have often been applied to retrospectively infer relative changes of photosynthesis and water-use, for instance for identifying isohydric versus anisohydric strategies, hydrogen isotope ratios have been rarely applied in this context, mainly due to methodological issues. Recent advances in the analysis and mechanistic understanding make hydrogen isotopes, however, a promising candidate in drought studies, as the ratio of autotrophic versus heterotrophic processes has been identified as an important driver of the variations, particularly at a limited level of carbohydrate supply. Hydrogen isotopes therefore have an enormous potential as indicator of reserve use versus use of fresh assimilates and may help to resolve the importance of carbon limitation for tree decline.In this project, we want to explore a triple-isotope tree-ring approach for retrospectively analyzing physiological drought responses of trees and formalize the results in a theoretical concept. To achieve this goal, we will 1) produce tree-ring isotope datasets for different species and regions. 2) We will investigate the effect of long-term irrigation on mature Scots pine in Pfynwald on the seasonal scale and we will conduct a controlled drought-experiment with tree saplings 3) We will evaluate the results with statistical methods, comparing the isotope variations to climate variables and assess the drought resilience of each parameter. We will further assess the isotope changes under drought with existing theoretical isotope fractionation models, and we will combine all results in a formalized isotope concept. The results are expected to provide a novel diagnostic tool for retrospectively analyzing causes of tree decline, which will also be helpful for assessing future drought adaption potential of forests.
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