Ann. For. Sci. 56 (1999) 549-561
DOI: 10.1051/forest:19990703

Responses to elevated atmospheric CO₂ concentration and nitrogen supply of Quercus ilex L. seedlings from a coppice stand growing at a natural CO₂ spring

Roberto Tognetti and Jon D. Johnson

School of Forest Resources and Conservation, University of Florida, 326 Newins-Ziegler Hall, Gainesville, FL, 2611, USA

Abstract - Quercus ilex acorns were collected from a population of trees with a lifetime exposure to elevated atmospheric CO₂ concentration (CO₂), and after germination seedlings were exposed at two [CO₂] (370 or 520 μmol mol^-1) in combination with two soil N treatments (20 and 90 μmol mol ^-1 total N) in open-top chambers for 6 months. Increasing [CO₂ ] stimulated photosynthesis and leaf dark respiration regardless of N treatment. The increase in photosynthesis and leaf dark respiration was associated with a moderate reduction in stomatal conductance, resulting in enhanced instantaneous transpiration efficiency in leaves of seedlings in CO₂ enriched air. Elevated [CO₂] increased biomass production only in the high-N treatment. Fine root/foliage mass ratio decreased with high-N treatment and increased with CO₂ enrichment. There was evidence of a preferential shift of biomass to below-ground tissue at a low level of nutrient addition. Specific leaf area (SLA) and leaf area ratio (LAR) decreased significantly in leaves of seedlings grown in elevated [CO_2] irrespective of N treatment. Leaf N concentration decreased significantly in elevated [CO₂] irrespective of N treatment. As a result of patterns of N and carbon concentrations, C/N ratio generally increased with elevated [CO₂] treatment and decreased with high nutrient supply. Afternoon starch concentrations in leaves did not increase significantly with increasing [CO₂], as was the case for morning starch concentrations at low-N supply. Starch concentrations in leaves, stem and roots increased with elevated [CO₂] and decreased with nutrient addition. The concentration of sugars was not significantly affected by either CO ₂ or N treatments. Total foliar phenolic concentrations decreased in seedlings grown in elevated [CO ₂] irrespective of N treatment, while nutrient supply had less of an effect. We conclude that available soil N will be a major controlling resource for the establishment and growth of Q. ilex in rising [CO ₂] conditions. © 1999 Éditions scientifiques et médicales Elsevier SAS.

Résumé - Réponses de jeunes plants de Quercus ilex L. issus d'une population poussant dans une zone naturellement enrichie en CO₂, à une concentration élevée de CO₂ dans l'air et à un apport d'azote. Des jeunes plants de Quercus ilex L., issus d'une population d'arbres ayant poussé dans une concentration élevée de CO₂, ont été exposés à deux concentrations en CO₂ (370 μmol mol^-1 ou 520 μmol mol^-1) en combinaison avec deux fertilisations du sol en azote (20 et 90 μmol mol^-1 N total) dans des chambres à ciel ouvert pendant six mois. L'augmentation de concentration en CO ₂ stimule la photosynthèse et la respiration nocturne des feuilles indépendamment du traitement en azote. Les augmentations de photosynthèse et de la respiration nocturne des feuilles ont été associées à une réduction modérée de conductance stomatique, ayant pour résultat d'augmenter l'efficience transpiratoire instantanée des feuilles des jeunes plants cultivés en CO₂ élevé. L'augmentation de concentration du CO₂ accroît la production de biomasse seulement dans le traitement élevé en azote. Le rapport des racines fines à la masse de feuillage a diminué avec le traitement en azote et a augmenté avec l'enrichissement en CO₂ .La surface spécifique de feuille (SLA) et les taux de la surface de feuille (LAR) ont diminé de manière significative pour les feuilles des jeunes plants développés sous une concentration élevée de CO₂, indépendamment du traitement en azote. La concentration en azote des feuilles a diminué de manière significative dans le traitement élevé en CO₂, indépendamment du traitement en azote. En raison des configurations des concentrations d'azote et de carbone, le taux C/N a augmenté avec le traitement élevé en CO₂ et diminué avec l'apport d'azote. Dans l'après-midi, les concentrations en amidon des feuilles n'ont pas augmenté de manière significative avec l'augmentation du CO₂, comme pour les concentrations en amidon dans le cas du traitement limité en azote du matin. Les concentrations en amidon dans les feuilles, la tige et les racines ont augmenté dans le cas du traitement avec une concentration élevée en CO₂ et diminué avec l'apport en azote. Les concentrations en sucre n'ont pas été affectées sensiblement par les traitements de CO ₂ ou de N. Les concentrations phénoliques foliaires totales ont diminué pour les jeunes plants qui ont poussé dans le traitement en CO₂ élevé, indépendamment du traitement en N. Nous concluons que la disponibilité en azote dans le sol jouera un rôle majeur dans l'établissement et la croissance de Q. ilex dans un environnement caractérisé par un accroissement de la concentration en CO₂ dans l'air. © 1999 Éditions scientifiques et médicales Elsevier SAS.

Key words: carbon physiology / elevated [CO₂] / natural CO₂ springs / nitrogen / Quercus ilex

Mots clés : azote / CO₂ élevé / physiologie du carbone / Quercus ilex / sources naturelles de de CO₂