Ann. For. Sci. 53 (1996) 431-446
DOI: 10.1051/forest:19960225

Growth dynamics, transpiration and water-use efficiency in Quercus robur plants submitted to elevated CO₂ and drought

C Picon, JM Guehl and G Aussenac

Équipe bioclimatologie-écophysiologie, unité de recherches en écophysiologie forestière, Centre de Nancy, Inra, 54280 Champenoux, France

Abstract - Seedlings of pedunculate oak (Quercus robur L) were grown for one growing season under ambient (350 μmol mol^-1) and elevated (700 μmol mol^-1) atmospheric CO₂ concentration ([CO₂]) either in well-watered or in droughted (the water supply was 40% of the well-watered plants transpiration in both [CO₂]) conditions. In the droughted conditions, gravimetric soil water content (SWC) was on average 4 10 ^-2 g g^-1 lower under elevated [CO₂]. In well-watered conditions, biomass growth was 39% higher in the elevated [CO₂] treatment than under ambient [CO ₂]. However relative growth rate (RGR) was stimulated by the elevated [CO₂] only for 17 days, in July, at the end of the stem elongation phase (third growing flush), which corresponded also to the phase of maximum leaf expansion rate. Both the number of leaves per plant and the plant leaf area were 30% higher in the elevated [CO₂] treatment than under ambient [CO₂]. In the droughted conditions, no significant enhancement in biomass growth and in plant leaf area was brought about by the elevated [CO₂]. Transpiration rate was lower in the elevated [CO₂] conditions, but whole plant water use was similar in the two [CO₂] treatments, reflecting a compensation between leaf area and stomatal control of transpiration. Transpiration efficiency (W = biomass accumulation/plant water use) was improved by 47% by the elevated [CO₂] in well-watered conditions but only by 18% in the droughted conditions. Carbon isotope discrimination (Δ) was decreased by drought and was increased by the elevated [CO₂]. A negative linear relationship was found between transpiration efficiency divided by the atmospheric [CO₂] and Δ, as predicted by theory.

Résumé - Dynamique de croissance, transpiration et efficience d'utilisation de l'eau de plants de Quercus robursoumis à une concentration élevée en CO₂ et à la sécheresse. Des semis de chêne pédonculé (Quercus robur L) ont été soumis, durant leur première saison de végétation, à des concentrations atmosphériques en CO₂ ([CO₂]) ambiantes (350 μmol mol^-1) ou doublées (700 μmol mol^-1) en conditions de bonne alimentation hydrique ou de sécheresse (fourniture d'eau égale à 40 % de la transpiration des plants bien irrigués pour chacune des conditions de [CO₂]). L'humidité pondérale du sol (SWC) était en moyenne inférieure de 4 10^-2 g g^-1 sous [CO ₂] élevé comparativement à la [CO ₂] ambiante. En conditions hydriques favorables, l'augmentation de la concentration en CO₂ est à l'origine d'une stimulation de la croissance de 39 %. Cependant le taux de croissance relative (RGR) n'est stimulé par l'augmentation de la concentration en CO₂ qu'au cours d'un intervalle de temps de 17 jours, en juillet, correspondant à la fin de la phase d'élongation de la tige (troisième flush de croissance) et à la phase de vitesse d'expansion foliaire maximale. Le nombre de feuilles ainsi que la surface foliaire par plant sont augmentés de 30 % par l'augmentation de la concentration en CO₂. En conditions de sécheresse, aucune stimulation de croissance pondérale ni de surface foliaire par plant ne sont observées en réponse à l'augmentation de la concentration atmosphérique en CO₂. Le taux de transpiration est réduit par l'augmentation de la concentration en CO₂, mais la transpiration totale par plant n'est pas affectée par la concentration atmosphérique en CO₂, traduisant une compensation entre augmentation de surface foliaire et fermeture stomatique. L'efficience de transpiration (W = accumulation de biomasse/eau transpirée) est augmentée de 47 % par l'augmentation de la concentration en CO₂ en régime hydrique favorable et seulement de 18 % en régime hydrique limitant. La discrimination isotopique du carbone (Δ) des plants est diminuée par la sécheresse et augmentée par le doublement de la concentration en CO₂. Une relation linéaire négative entre l'efficience de transpiration divisée par la concentration atmosphérique en CO₂ et Δ est observée conformément à la théorie (équation 5).

Key words: elevated CO₂ / growth / leaf gas exchange / water-use efficiency / carbon isotope discrimination

Mots clés : enrichissement en CO ₂ / croissance / échanges gazeux foliaires / efficience d'utilisation de l'eau / discrimination isotopique du carbone