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More extreme and frequent drought periods reduced crop production and altered stable isotope ratios of C and N in plants

Andrea Watzinger
Andrea Watzinger
, 
Judith Prommer
Judith Prommer
, 
Andreea Spiridon
Andreea Spiridon
, 
Weronika Kisielinska
Weronika Kisielinska
, 
Rebecca Hood-Nowotny
Rebecca Hood-Nowotny
, 
Herbert Formayer
Herbert Formayer
, 
Anna Wawra
Anna Wawra
, 
Johannes Hösch
Johannes Hösch
 und 
Julia Miloczki
Julia Miloczki
   | 31. Okt. 2023
Die Bodenkultur: Journal of Land Management, Food and Environment's Cover Image
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Online veröffentlicht: 31. Okt. 2023
Seitenbereich: 35 - 48
Eingereicht: 14. Juli 2023
Akzeptiert: 30. Aug. 2023
DOI: https://doi.org/10.2478/boku-2023-0004
Schlüsselwörter
© 2023 Andrea Watzinger et al., published by Sciendo
This work is licensed under the Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 3.0 License.

Figure 1.

Period of cover/irrigation (black line) and precipitation and irrigation applied to the lysimeter soil from 2017 until 2019. From 2018 onward, the variation of irrigation – the minimum (light gray) and the maximum (black) on lysimeter replicates – besides the average (dark gray) irrigation is illustrated.Abbildung 1. Folienabdeckung der Lysimeteranlage und Bewässerung (schwarze Linie) sowie die akkumulierte Niederschlags- und Bewässerungsmenge in den Jahren 2017, 2018 und 2019. Ab 2018 wurde die Schwankung - Minimum (hellgrau), Maximum (schwarz), Mittelwert (dunkelgrau) – der Lysimeterbewässerung dargestellt.
Period of cover/irrigation (black line) and precipitation and irrigation applied to the lysimeter soil from 2017 until 2019. From 2018 onward, the variation of irrigation – the minimum (light gray) and the maximum (black) on lysimeter replicates – besides the average (dark gray) irrigation is illustrated.Abbildung 1. Folienabdeckung der Lysimeteranlage und Bewässerung (schwarze Linie) sowie die akkumulierte Niederschlags- und Bewässerungsmenge in den Jahren 2017, 2018 und 2019. Ab 2018 wurde die Schwankung - Minimum (hellgrau), Maximum (schwarz), Mittelwert (dunkelgrau) – der Lysimeterbewässerung dargestellt.

Figure 2.

Grain yield of spring wheat (2017), spring barley (2018), and winter wheat (2019) for the different soil types and precipitation treatments in g m−2. Given are the arithmetic mean values (n = 3), and the error bars represent the standard deviation.Abbildung 2. Ertrag von Sommerweizen (2017), Sommergerste (2018) und Winterweizen (2019) für die verschiedenen Bodentypen und Niederschlagsszenarien in g m−2. Gegeben sind die arithmetischen Mittelwerte (n=3) und die Standardabweichung als Fehlerbalken.
Grain yield of spring wheat (2017), spring barley (2018), and winter wheat (2019) for the different soil types and precipitation treatments in g m−2. Given are the arithmetic mean values (n = 3), and the error bars represent the standard deviation.Abbildung 2. Ertrag von Sommerweizen (2017), Sommergerste (2018) und Winterweizen (2019) für die verschiedenen Bodentypen und Niederschlagsszenarien in g m−2. Gegeben sind die arithmetischen Mittelwerte (n=3) und die Standardabweichung als Fehlerbalken.

Figure 3.

Grain δ15N values of spring wheat (2017), spring barley (2018), and winter wheat (2019) for the different soil types and precipitation treatments in ‰. Given are arithmetic mean values (n = 3), and the error bars represent the standard deviation.Abbildung 3. Korn δ15N Werte von Sommerweizen (2017), Sommergerste (2018) und Winterweizen (2019) für die verschiedenen Bodentypen und Niederschlagsszenarien in ‰. Gegeben sind die arithmetischen Mittelwerte (n = 3) und die Standardabweichung als Fehlerbalken.
Grain δ15N values of spring wheat (2017), spring barley (2018), and winter wheat (2019) for the different soil types and precipitation treatments in ‰. Given are arithmetic mean values (n = 3), and the error bars represent the standard deviation.Abbildung 3. Korn δ15N Werte von Sommerweizen (2017), Sommergerste (2018) und Winterweizen (2019) für die verschiedenen Bodentypen und Niederschlagsszenarien in ‰. Gegeben sind die arithmetischen Mittelwerte (n = 3) und die Standardabweichung als Fehlerbalken.

Supplemental Figure 1.

Harvests of spring wheat (2017), spring barley (2018), and winter wheat (2019) for the different soil types and precipitation treatments in g m−2. Given are the arithmetic mean values (n = 3) of the aboveground dry biomass, and the error bars represent the standard deviation.Ergänzungsabbildung 1. Ernten von Sommerweizen (2017), Sommergerste (2018) und Winterweizen (2019) für die verschiedenen Bodentypen und Niederschlagsbehandlungen in g m−2. Gegeben sind die arithmetischen Mittelwerte (n=3). Die Fehlerbalken stellen die Standardabweichung dar.
Harvests of spring wheat (2017), spring barley (2018), and winter wheat (2019) for the different soil types and precipitation treatments in g m−2. Given are the arithmetic mean values (n = 3) of the aboveground dry biomass, and the error bars represent the standard deviation.Ergänzungsabbildung 1. Ernten von Sommerweizen (2017), Sommergerste (2018) und Winterweizen (2019) für die verschiedenen Bodentypen und Niederschlagsbehandlungen in g m−2. Gegeben sind die arithmetischen Mittelwerte (n=3). Die Fehlerbalken stellen die Standardabweichung dar.

Supplemental Figure 2.

Grain N content of spring wheat (2017), spring barley (2018), and winter wheat (2019) for the different soil types and precipitation treatments in ‰. Given are the arithmetic mean values (n = 3), and the error bars represent the standard deviation.Ergänzungsabbildung 2. Stickstoffgehalt im Korn von Sommerweizen (2017), Sommergerste (2018) und Winterweizen (2019) für die verschiedenen Bodentypen und Niederschlagsbehandlungen in ‰. Gegeben sind die arithmetischen Mittelwerte (n = 3). Die Fehlerbalken stellen die Standardabweichung dar.
Grain N content of spring wheat (2017), spring barley (2018), and winter wheat (2019) for the different soil types and precipitation treatments in ‰. Given are the arithmetic mean values (n = 3), and the error bars represent the standard deviation.Ergänzungsabbildung 2. Stickstoffgehalt im Korn von Sommerweizen (2017), Sommergerste (2018) und Winterweizen (2019) für die verschiedenen Bodentypen und Niederschlagsbehandlungen in ‰. Gegeben sind die arithmetischen Mittelwerte (n = 3). Die Fehlerbalken stellen die Standardabweichung dar.

Supplemental Figure 3.

Straw N content of spring wheat (2017), spring barley (2018), and winter wheat (2019) for the different soil types and precipitation treatments in ‰. Given are the arithmetic mean values (n = 3), and the error bars represent the standard deviation.Ergänzungsabbildung 3. Stickstoffgehalt des Strohs von Sommerweizen (2017), Sommergerste (2018) und Winterweizen (2019) für die verschiedenen Bodentypen und Niederschlagsbehandlungen in ‰. Gegeben sind die arithmetischen Mittelwerte (n = 3). Die Fehlerbalken stellen die Standardabweichung dar.
Straw N content of spring wheat (2017), spring barley (2018), and winter wheat (2019) for the different soil types and precipitation treatments in ‰. Given are the arithmetic mean values (n = 3), and the error bars represent the standard deviation.Ergänzungsabbildung 3. Stickstoffgehalt des Strohs von Sommerweizen (2017), Sommergerste (2018) und Winterweizen (2019) für die verschiedenen Bodentypen und Niederschlagsbehandlungen in ‰. Gegeben sind die arithmetischen Mittelwerte (n = 3). Die Fehlerbalken stellen die Standardabweichung dar.

Supplemental Figure 4.

Straw δ15N values of spring wheat (2017), spring barley (2018), and winter wheat (2019) for the different soil types and precipitation treatments in ‰. Given are the arithmetic mean values (n = 3), and the error bars represent the standard deviation.Ergänzungsabbildung 4. Delta15N-Werte des Strohs von Sommerweizen (2017), Sommergerste (2018) und Winterweizen (2019) für die verschiedenen Bodentypen und Niederschlagsbehandlungen in ‰. Gegeben sind die arithmetischen Mittelwerte (n = 3). Die Fehlerbalken stellen die Standardabweichung dar.
Straw δ15N values of spring wheat (2017), spring barley (2018), and winter wheat (2019) for the different soil types and precipitation treatments in ‰. Given are the arithmetic mean values (n = 3), and the error bars represent the standard deviation.Ergänzungsabbildung 4. Delta15N-Werte des Strohs von Sommerweizen (2017), Sommergerste (2018) und Winterweizen (2019) für die verschiedenen Bodentypen und Niederschlagsbehandlungen in ‰. Gegeben sind die arithmetischen Mittelwerte (n = 3). Die Fehlerbalken stellen die Standardabweichung dar.

Harvests of cultivated crops and weeds per plant species and year for the different soil types and precipitation treatments in g m−2Tabelle 3. Ernteertrag (g m−2) von Getreide, Zwischenfrucht und Beikräutern aus den Jahren 2017, 2018 und 2019 für die verschiedenen Bodentypen und Niederschlagsszenarien

Crop (year) Gleyic Phaeozem Calcaric Phaeozem Calcic Chernozem
Current Predicted Current Predicted Current Predicted
Spring wheat (2017) 112 (19) 35 (4) 150 (38) 73 (56) 81 (19) 33 (30)
Mustard (2017–2018) 351 (38) 360 (43) 199 (63) 177 (17) 247 (88) 351 (81)
Spring barley (2018) 542 (56) 352 (56) 247 (104) 145 (122) 327 (68) 249 (44)
Weed (2018) 119 (47) 104 (53) 121 (36) 100 (40) 118 (88) 70 (27)
Winter wheat (2019) 953 (119) 562 (118) 456 (12) 242 (83) 625 (140) 564 (37)
Weed (2019) 12 (10) 6 (7) 33 (16) 3 (0) 35 (14) 8 (9)

Chemical and physical soil characteristics (n = 6) of gleyic Phaeozem (Pg), sandy calcaric Phaeozem (Ps), and calcic Chernozem (Ch) in the upper 10 cm.Ergänzungstabelle 1. Chemische und physikalische Bodeneigenschaften (n = 6) des gleyic Phaeozem (Pg), des sandigen calcaric Phaeozem (Ps) und des calcic Chernozem (Ch) in den oberen 10 cm.

Parameter Pg Ps Ch
pH 7.92 ± 0.04 7.93 ± 0.03 7.94 ± 0.03
CaCO3 (%) 29.0 ± 1.0 13.9 ± 0.4 20.9 ± 1.0
Total organic C (%) 2.32 ± 0.09 1.93 ± 0.12 2.91 ± 0.04
Total N (%) 0.211 ± 0.012 0.102 ± 0.005 0.227 ± 0.005
Available N (mg/kg/7 d) 57.9 ± 5.7 37.5 ± 5.5 59.2 ± 4.5
Available P (mg/kg) 62.5 ± 5.2 134.3 ± 3.8 81.0 ± 6.2
Available K (mg/kg) 82.02 ± 13.5 57.0 ± 8.5 73.5 ± 8.0
CEC (cmolc/kg) 25.9 ± 1.2 13.8 ± 0.4 28.9 ± 0.3
Ca (% from CEC) 76.5 ± 1.4 78.1 ± 0.7 78.4 ± 1.0
Mg (% from CEC) 19.8 ± 1.2 18.0 ± 0.6 18.6 ± 0.9
K (% from CEC) 1.1 ± 0.1 1.5 ± 0.2 0.9 ± 0.1
Na (% from CEC) 2.5 ± 0.4 2.4 ± 0.4 2.1 ± 0.3
Aggregate stability (%) 21.3 ± 5.5 23.2 ± 8.5 30.7 ± 6.8

Delta13C values of cultivated crops per plant species and year for the different soil types and precipitation treatments in ‰Tabelle 5. Delta13C Werte der Kulturpflanzen pro Jahr für die verschiedenen Bodentypen und Niederschlagsszenarien in ‰

Crop (year)/part Gleyic Phaeozem Calcaric Phaeozem Calcic Chernozem
Current Predicted Current Predicted Current Predicted
Spring wheat (2017)/grain −25.3 (0.6) −23.6 (0.8) −24.8 (0.8) −23.7 (0.4) −25.1 (1.0) −24.4 (1.0)
Spring wheat (2017)/straw −27.2 (1.0) −26.0 (0.3) −26.9 (0.3) −26.0 (0.4) −26.5 (0.6) −25.5 (0.3)
Spring barley (2018)/grain −27.1 (0.2) −26.0 (0.3) −25.2 (1.0) −24.6 (0.7) −27.9 (0.4) −27.5 (0.3)
Spring barley (2018)/straw n.d. n.d. −26.5 (0.3) −25.7 (0.2) −28.0 (0.3) −27.1 (0.1)
Winter wheat (2019)/grain −26.4 (0.1) −24.6 (0.1) −24.4 (0.1) −23.6 (0.9) −26.9 (0.8) −25.1 (0.0)
Winter wheat (2019)/straw −28.3 (0.8) −27.5 (0.4) −27.6 (0.5) −26.7 (0.3) −28.2 (0.4) −27.6 (0.6)

Three-way ANOVA tables of the overall impact of soil, precipitation, and year (2017, 2018, and 2019) on crop yield, carbon and nitrogen content, and carbon and nitrogen isotope signatureErgänzungstabelle 2. 3-Wege-ANOVA-Tabellen der Auswirkungen von Boden, Niederschlag und Jahr (2017, 2018 und 2019) auf Ernteertrag, Kohlenstoff- und Stickstoffgehalt sowie Kohlenstoff- und Stickstoffisotopensignatur.

Parameter Unit Soil Precipitation Year
F p F p p
Crop g m−2 25.8/Pg, Ch <0.001 34.1/curr <0.001 <0.001
- Grain g m−2 30.9/Pg, Ch <0.001 42.9/curr <0.001 <0.001
- Straw g m−2 16.4/Pg <0.001 20.5/curr <0.001 <0.001
Harvest index 2.004 0.150 7.98/curr 0.008 0.031
Weed** g m−2 0.08 0.924 3.75 0.065 <0.001
Grain N % 0.76 0.474 0.60 0.444 0.005
Straw N* % 0.79 0.461 12.3/pre 0.001 <0.001
Grain δ15N ‰ 40.3/Pg <0.001 6.09/curr 0.019 <0.001
Straw δ15N* ‰ 11.0/Ch <0.001 0.16 0.688 <0.001
Grain C % 4.19/PS, Ch 0.024 0.248 0.662 0.061
Straw C* % 5.94/PS 0.006 0.50 0.485 <0.001
Grain δ13C ‰ 28.4/PS <0.001 33.8/pre <0.001 <0.001
Straw δ13C* ‰ 10.2/PS <0.001 38.7/pre <0.001 <0.001

Two-way ANOVA tables of the impact of soil and precipitation on yield, carbon and nitrogen content, and isotope signature of spring barley cultivated in 2018Ergänzungstabelle 4. 2-Wege-ANOVA-Tabelle zum Einfluss von Boden und Niederschlag auf den Kohlenstoff- und Stickstoffgehalt und die Isotopensignatur von Sommergerste (2018)

Spring barley – harvest 23.07.2018
Parameter Unit Soil Precipitation
F p F p
Grain N % 0.24 0.792 3.11 0.103
Straw N* % 7.71/PS 0.024 1.76 0.221
Grain δ15N ‰ 15.2/Pg <0.001 0.01 0.919
Straw δ15N* ‰ 0.05 0.834 4.92 0.057
Grain C % 1.39 0.286 0.46 0.512
Straw C* % 7.11/PS 0.028 0.76 0.409
Grain δ13C ‰ 37.5/PS Pg <0.001 7.15/pre 0.020
Straw δ13C* ‰ 117/PS <0.001 40.5/pre <0.001

Two-way ANOVA table of the impact of soil and precipitation on the plant biomass of cash and catch crops, grain yield, and weeds in the years 2017–2019Tabelle 4. 2-Wege-ANOVA-Tabelle zum Einfluss von Boden und Niederschlag auf die Pflanzenbiomasse von Haupt- und Zwischenfrüchten, Ertrag und Beikräuter für die Jahre 2017 bis 2019

Parameter Unit Soil Precipitation
F p F p
Spring wheat g m−2 4.47/PS 0.035 19.6/curr <0.001
- Grain g m−2 2.60 0.115 12.8/curr 0.004
- Straw g m−2 6.17/PS 0.014 19.2/curr <0.001
Mustard g m−2 12.0 0.001 1.14 0.306
Spring barley g m−2 12.4/Pg 0.001 8.76/curr 0.012
- Grain g m−2 12.2/Pg 0.001 8.73/curr 0.012
- Straw g m−2 4.09/Pg 0.044 6.97/curr 0.022
Weed g m−2 0.208 0.815 1.29 0.279
Winter wheat g m−2 18.6/Pg <0.001 16.3/curr 0.002
- Grain g m−2 28.6/Pg <0.001 27.6/curr <0.001
- Straw g m−2 14.3/Pg <0.001 9.15/curr 0.011
Weed g m−2 2.27 0.146 17.0/curr 0.001

Two-way ANOVA table of the impact of soil and precipitation on carbon and nitrogen content and isotope signature of spring wheat and mustard cultivated in 2017Ergänzungstabelle 3. 2-Wege-ANOVA-Tabelle zum Einfluss von Boden und Niederschlag auf den Kohlenstoff- und Stickstoffgehalt und die Isotopensignatur von Sommerweizen und Senf (2017)

Parameter Unit Soil Precipitation
F p F p
Spring wheat – harvest 20.07.2017
Grain N % 16.8/Pg, Ch <0.001 5.11/pre 0.043
Straw N % 13.4/Pg, Ch <0.001 9.65/pre 0.009
Grain δ15N ‰ 7.61/Pg 0.007 4.46 0.056
Straw δ15N ‰ 10.1/Pg, Ch 0.003 2.78 0.121
Grain C % 8.11/Pg, Ch 0.006 0.61 0.450
Straw C % 4.49 0.035 0.71 0.416
Grain δ13C ‰ 0.61 0.561 8.83/pre 0.012
Straw δ13C ‰ 2.16 0.158 15.2/pre 0.002
Spring wheat – leaf 06.07.2017
Leaf N % 19.0/Pg, Ch <0.001 5.11/pre 0.043
Leaf δ15N ‰ 8.96/Pg 0.004 14.0/curr 0.003
Leaf C % 0.088 0.916 3.97 0.070
Leaf δ13C ‰ 2.13 0.161 30.8/pre <0.001
Mustard leaf 24.10.2017
Mustard N % 41.3/Pg <0.001 17.1/pre 0.003
Mustard δ15N ‰ 0.52 0.609 1.52 0.241
Mustard C % 3.59 0.063 4.50 0.057
Mustard δ13C ‰ 0.65 0.538 4.18 0.064

Crop rotation and management of the lysimetersTabelle 1. Fruchtfolge und Bewirtschaftung der Lysimeteranlage

Crop Sowing Harvest Crop residue management
Spring wheat (Triticum turgidum subsp. durum (Desf.) Husn) cv. Floradur 04.04.2017 20.07.2017 Crop residues removed
White mustard (Sinapis alba L.) catch crop 24.08.2017 07.03.2018 Mustard residues were mulched and incorporated into the soil on 09.04.2018
Spring barley (Hordeum vulgare L. cv. Cerbinetta) 09.04.2018 23.07.2018 Crop residues removed
Winter wheat (Triticum aestivum L.) cv. Capo 11.10.2018 03.07.2019 Crop residues incorporated

Application rates of N fertilizer in kg N ha−1 dependent on the soil type (calcaric Phaeozem - PS; calcic Chernozem – Ch; gleyic Phaeozem – Pg)Tabelle 2. Stickstoffdüngung in kg N ha−1 angepasst an den Bodentyp (calcaric Phaeozem - PS; calcic Chernozem – Ch; gleyic Phaeozem – Pg)

Fertilization date Pg Ps Ch
04.04.2017 55 40 55
08.05.2018 50 50 50
20.03.2019 40 35 40
16.04.2019 65 45 65
16.05.2019 45 40 45

Two-way ANOVA tables of the impact of soil and precipitation on yield, carbon and nitrogen content, and isotope signature of winter wheat cultivated in 2019Ergänzungstabelle 5. 2-Wege-ANOVA-Tabelle zum Einfluss von Boden und Niederschlag auf den Kohlenstoff- und Stickstoffgehalt und die Isotopensignatur von Winterweizen (2019)

Parameter Winter wheat – harvest 03.07.2019
Unit Soil Precipitation
F p F p
Grain N % 0.77 0.488 0.41 0.536
Straw N % 2.10 0.166 4.92/pre 0.047
Grain δ15N ‰ 36.8/Pg, Ch <0.001 5.74/curr 0.038
Straw δ15N ‰ 5.22/Pg 0.023 0.17 0.688
Grain C % 91.6/Pg <0.001 0.00 0.987
Straw C % 5.79/PS, Ch 0.017 0.60 0.452
Grain δ13C ‰ 13.2/PS 0.002 21.1/pre 0.001
Straw δ13C ‰ 4.05/PS 0.045 8.38/pre 0.013
eISSN:
2719-5430
Sprache:
Englisch
Zeitrahmen der Veröffentlichung:
4 Hefte pro Jahr
Fachgebiete der Zeitschrift:
Biologie, Ökologie, andere
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