Elevated concentrations of CO₂ and nitrogen alter DOC release and soil phenolic content in wetland microcosms

ABSTRACT

Physiological responses of plants to elevated carbon dioxide (CO₂) and nitrogen (N) availability are ecologically important because of increased atmospheric CO₂ concentrations and N enrichment in many ecosystems. Here, the effects of N availability on the responses of six wetland plant species to elevated CO₂ levels are examined in terms of growth and root exudation. Six species of emergent plant species typically found in marshes were incubated under two levels of CO₂ (370 and 740 ppm) and two levels of N (0 and 8.8 mg N L⁻¹). Elevated CO₂ did not affect shoot biomass, root biomass, and height significantly, regardless of N levels. The C/N ratio of plant species increased in response to elevated CO₂ levels, but this effect varied by species. All species released higher amounts of dissolved organic carbon under elevated CO₂ compared with ambient air conditions. This response was limited under low soil N concentrations. By contrast, phenolic content increased significantly with elevated CO₂ under low-N treatment. The findings suggest that elevated CO₂ is not responsible for biomass accumulation of emergent wetland plant species, but does elicit changes in the quantity and quality of root exudates, which are, in turn, dependent on N availability to plant species.

RÉSUMÉ

Les réponses physiologiques des plantes à la disponibilité élevée en dioxyde de carbone (CO₂) et en azote (N) sont écologiquement importantes en raison de l’augmentation des concentrations atmosphériques en CO₂ et de l’enrichissement en N dans plusieurs écosystèmes. Les effets de la disponibilité en N sur la réponse de six espèces de plantes de milieux humides aux niveaux élevés de CO₂ a été examinée en termes de croissance et d’exsudation. Six espèces de plantes émergentes généralement trouvées dans les marais ont été incubées sous deux niveaux de CO₂ (370 et 740 ppm) et deux niveau de N (0 et 8,8 mg N L⁻¹). La concentration élevée de CO₂ n’a pas significativement affecté la biomasse des tiges, la biomasse racinaire et la hauteur, peu importe le niveau de N. Le rapport C/N augmentait en réponse aux niveaux élevés de CO₂, mais l’effet variait selon l’espèce. Toutes les espèces ont émis des quantités plus élevées de carbone organique dissous sous la concentration élevée de CO₂ comparativement à l’air ambiant. Cette réponse était limitée aux faibles concentrations de N. À l’opposé, le contenu phénolique augmentait significativement aux niveaux élevés de CO₂ dans le traitement à faible concentration de N. Les résultats suggèrent que les niveaux élevés de CO₂ ne sont pas responsables de l’accumulation de biomasse des espèces de plantes émergentes des milieux humides, mais entraînent des changements de la quantité et de la qualité des exsudats racinaires qui dépendent de la disponibilité en N pour les plantes.

KEYWORDS:

• Climate change
• nitrogen availability
• wetland plants
• plant growth
• root exudation
• physiological responses

MOTS CLÉS:

• changement climatique
• disponibilité en azote
• plantes des milieux humides
• croissance des plantes
• exsudation racinaire
• réponses physiologiques

Acknowledgments

We thank Dr. Pat Megonigal for suggestions on how to improve this manuscript.

Supplementary material

Supplemental data for this article can be accessed here.

Additional information

Funding

This work was supported by KRF (C00587), AEBRC, and KOSEF (M10310010001-06B1001-00112). This work was supported by the National Research Foundation of Korea (NRF) grant funded by the Korean government (MSIT) (2018R1C1B6005351). We are grateful to NRF (2016R1D1A1A02937049, 2017096A001719BB01) for additional financial support. This work was supported by NIER Research Fund (NIER-2019-01-02-058).